W konkursie Narodowego Centrum Nauki Sonata 16 w ramach grantu dr Michał Studziński z Wydziału Matematyki, Fizyki i Informatyki UG otrzymał ponad 1 milion zł. Dzięki temu przez trzy lata będzie realizował projekt pt. Symetrie i splątanie w obwodach kwantowych.

Narodowe Centrum Nauki ogłosiło konkurs SONATA 16 na projekty badawcze, przeznaczone dla naukowców, którzy uzyskali stopień doktora w okresie od 2 do 7 lat przed rokiem wystąpienia z wnioskiem. Wnioskodawcy mogli ubiegać się o finansowanie projektów obejmujących badania podstawowe, trwające 12 miesięcy, 24 miesiące lub 36 miesięcy. Budżet konkursu wynosi 100 mln zł.

Z dr. Michałem Studzińskim z Instytutu Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki o planach badawczych projektu rozmawia Ewa Karolina Cichocka.

- W tytule Pana grantu pojawiają się trudne dla laików słowa: symetria, splątania i kwanty. Jak podejść do tematu i jak umysły nieścisłe mogą to rozumieć?

- Wyobraźmy sobie kwadrat, a następnie obróćmy go o kąt 90 stopni względem jego środka– co się stanie? W zasadzie nic, kwadrat będzie wyglądał dokładanie tak samo jak przed obrotem. Możemy powiedzieć, że kwadrat jest niezmienniczy na obroty będące wielokrotnością kąta prostego. Moja dotychczasowa praca naukowa polegała właśnie na badaniu tego typu niezmienniczości (symetrii), tyle że w odniesieniu do zjawisk w skali mikro. Następnie wykorzystując ów niezmienniczości w połączeniu ze zjawiskiem kwantowego splątania czy kwantowej teleportacji badaliśmy użyteczność takiej synergii w celu uzyskania protokołów kwantowo-mechanicznych wykonujących jakieś z góry zaplanowane zadanie znacznie wydajniej niż istniejące już procedury niewykorzystujące efektów kwantowych.

- Wiemy już nieco o symetriach, ale czym jest to kwantowe splątanie i teleportacja?

Mówiąc bardzo ogólnie, kwantowe splątanie pomiędzy cząstkami powoduje, że stan ich całości jest lepiej określony niż stan jego części. Ta nieintuicyjna cecha znalazła szereg przełomowych zastosowań w tak zwanej kwantowej teorii informacji, dziale nauki zajmującym się wykorzystywaniem zjawisk kwantowych do m. in. przechowywania czy transmisji danych oraz wykonywania obliczeń. Jednym z takich zjawisk ściśle związanych ze splątaniem jest kwantowa teleportacja, gdzie dwa laboratoria, często bardzo odległe, przy użyciu właśnie kwantowego splątania mogą przesyłać pomiędzy sobą stany kwantowe bez fizycznego przemieszczania cząstki.

- Na czym będą polegały badania w Pana projekcie?

- W projekcie wyróżnionym przez Narodowe Centrum Nauki planujemy dwa główne wątki badawcze. W pierwszym z nich będziemy badali model uniwersalnego kwantowego procesora, urządzenia wykorzystującego w swoim działaniu przede wszystkim opisane wyżej zjawisko teleportacji. Jest to w pewnym sensie analog procesora jaki znajduje się w naszych domowych komputerach, oczywiście wykorzystujący całkowicie inne procesy działania. Naszym głównym celem w tym aspekcie badań jest teoretyczne uproszczenie procedur implementacyjnych dla takiego procesora, poprzez redukcję złożoności jego części składowych a jednocześnie zachowując przy tym możliwie jego największą wydajność. Druga część grantu jest dedykowana badaniu efektywności pewnej klasy obwodów kwantowych – czegoś w rodzaju układów scalonych dla komputera kwantowego. Naszym celem jest dostarczenie odpowiedzi jak bardzo będę one wydajne w przypadku, gdy ich zadaniem jest przekształcanie dowolnej, nieznanej operacji (procedury) na jej zaprogramowaną wcześniej przez nas funkcję. Słowo ‘nieznanej’ jest istotne tutaj, ponieważ właśnie wtedy uzyskujemy własność uniwersalności naszego obwodu. To znaczy będzie on działał w zadany sposób niezależnie od tego co dostarczymy na wejściu takiego układu, podobnie jak kalkulator, który zawsze poprawnie wykonuje działanie dodawania niezależnie od liczb, które mu podamy.

- Czy realizacja projektu i przeprowadzone badania będą mogły być wykorzystane praktycznie?

- Warto tutaj nadmienić, że kwantowa teleportacja jak i kwantowe splątanie są już realizowane eksperymentalnie, zatem nasze badania nie są czymś całkowicie oderwanym od rzeczywistości i wszelkie nowe protokoły komunikacyjne bazujące na tych zjawiskach mają potencjalnie szanse na praktyczną implementację, a kto wie, może i komercjalizację.

- Dziękuję za rozmowę.