Polscy badacze pracują nad kwantowym przetwarzaniem sygnału. To rozwiązanie pomoże zapewnić superbezpieczną łączność

Stworzenie rozwiązań opartych na kwantowym przetwarzaniu informacji to cel, jaki stawiają przed sobą badacze z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych Uniwersytetu Warszawskiego. W ramach projektu finansowanego z Funduszy Europejskich dla Nowoczesnej Gospodarki pracują nad technologiami, które pozwolą zapewnić szybką i dobrze zabezpieczoną łączność, również na poziomie międzyplanetarnym. Ich wykorzystanie pozwoliłoby również zoptymalizować pracę przeładowanych łączy światłowodowych, z których obecnie korzystamy.

– Kwantowe przetwarzanie sygnału oparte jest na najnowszych odkryciach i osiągnięciach fizyki kwantowej. W naszym przetwarzaniu informacji i wykrywaniu sygnałów będziemy używać nawet najmniejszych możliwych cząstek informacji, w szczególności takich jak pojedyncze fotony czy kubity [bity kwantowe – red.], które te fotony niosą – informuje w wywiadzie dla agencji Newseria dr hab. Michał Parniak-Niedojadło, lider grupy badawczej w Centrum Optycznych Technologii Kwantowych Uniwersytetu Warszawskiego. 

Na realizację projektu centrum otrzymało 30 mln zł z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki 2021–2027 (FENG). Środki – w drodze konkursu – przyznała Fundacja na rzecz Nauki Polskiej.

– Nasz projekt dopiero co wystartował, a mimo to ponad 12-osobowy zespół intensywnie pracuje już nad stworzeniem nowych eksperymentów oraz publikacji, które w bardzo bezpośredni sposób mają wkrótce pokazać ogromny potencjał wdrożeniowy opracowywanych przez nas rozwiązań – wyjaśnia naukowiec.

Centrum, stworzone przez UW we współpracy z Uniwersytetem Oksfordzkim, w ramach projektu Optyczne Technologie Kwantowe bada zjawiska takie jak superpozycje i splątanie w optycznych oraz optycznie sterowanych układach, z długoterminowymi perspektywami ich praktycznego wykorzystania.

– Dzisiejsze urządzenia, takie jak komputery, urządzenia sieciowe czy różnego rodzaju sensory, używają klasycznego przetwarzania sygnałów, które ma pewne ograniczenia i w krytycznych momentach niestety traci informacje. Tradycyjne metody opierają się na informacji klasycznej, czyli bitach, które mogą przyjmować wartości zero-jedynkowe. W dzisiejszym świecie przetwarzamy sygnały wyłącznie w komputerach opartych na krzemie lub w sieciach optycznych, w których wysyłamy silne impulsy laserowe lub z diod świecących. Kwantowe przetwarzanie sygnałów przygląda się informacji i materii na nowe sposoby. Przyglądamy się informacji bardziej precyzyjnie i zauważamy, że pojedyncze cząstki światła, takie jak fotony, niosą informacje w postaci kubitów, które są w stanie przyjmować wartości z całej sfery. Klasyczne przetwarzanie sygnałów je pomija, a kwantowe przetwarzanie sygnałów bierze z tego pełnię informacji – tłumaczy dr hab. Michał Parniak-Niedojadło.

– Kiedy ludzkość zaczęła robić zdjęcia, najpierw były one czarno-białe, co wynikało z tego, że klisza fotograficzna rejestrowała jedynie informację, gdzie padło więcej światła, a gdzie mniej. Punkt na kliszy, w którym natężenie światła było większe, na wywołanym zdjęciu był jaśniejszy, a punkt, gdzie natężenie było mniejsze – ciemniejszy. Dopiero po jakimś czasie nauczyliśmy się wyłuskiwać więcej informacji z fali światła, która dociera do kliszy: już nie tylko jej natężenie, ale także długość fali, która przekłada się na kolor światła. Dzięki temu mamy zdjęcia kolorowe. W naszym projekcie chcemy pójść o krok dalej. Rozważając kwantową naturę światła, okazuje się, że znajdują się w nim kolejne stopnie swobody, które możemy kontrolować. Do naszych celów należy wykorzystanie ich do kodowania jeszcze większej ilości informacji oraz odczytywania jej w bardziej precyzyjny sposób – wyjaśnia Karol Łukanowski, fizyk z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych UW.

Oczekuje się, że wyniki tych badań zostaną wykorzystane w praktyce do produkcji nowej generacji czujników lub bezpieczniejszych metod komunikacji. Jednym z priorytetowych celów badaczy jest dostarczenie rozwiązań, które mogłyby być wykorzystywane przez sektor kosmiczny.

– Ich użycie pozwoli nam na uzyskanie jeszcze lepszej rozdzielczości w zdjęciach kosmosu i w rezultacie na spojrzenie dalej w głęboki kosmos. Wszelakiej maści sensory, czy to pola magnetycznego, czy grawitacyjnego, zyskają dodatkową precyzję za pomocą kwantowych technologii. Są też wreszcie np. komputery kwantowe, czyli urządzenia do wykonywania bardzo specjalistycznych obliczeń, wielokrotnie szybsze od zwykłych komputerów. Ich implementacja optyczna jest również jedną z najbardziej obiecujących i najszerzej rozwijanych – wskazuje fizyk.

Karol Łukanowski zajmuje się w zespole projektowaniem nowych protokołów komunikacyjnych oraz kryptograficznych. Jak podkreśla, wykrywanie i przetwarzanie sygnałów na poziomie kwantowym jest dużą szansą na rozwiązanie wyzwań komunikacyjnych.

– To, co nas wyróżnia, to ambicja badania efektów kwantowych także w ekstremalnych warunkach. Przykładem jest komunikacja z misjami kosmicznymi, czyli przesył informacji na bardzo dalekie odległości oraz przez wszystkie warstwy atmosfery, co przekłada się na ogromne tłumienie sygnału. Innym przykładem są międzykontynentalne łącza światłowodowe położone na dnie oceanu, które już dzisiaj są przeładowane transmisją danych pomiędzy milionami użytkowników, co negatywnie wpływa na ich przepustowość. Efekty kwantowe pozwolą nam zniwelować te problemy – wyjaśnia badacz.

Do kluczowych wyzwań, jakie stoją przed zespołem badawczym, należy filtrowanie sygnału optycznego, czyli oddzielanie go od szumu. Dzięki temu sygnał ten może być z jednej strony znacznie wzmocniony, a z drugiej – lepiej przyjmowany przez odbiorniki.

Według Zion Market Research światowy rynek technologii kwantowych w 2022 roku wypracował ponad 875 mln dol. przychodów. Do końca tej dekady jego wycena wzrośnie do 4,3 mld dol.