Polski komputer kwantowy ma solidne podstawy. Co dalej?

Przy budowie komputera kwantowego teoretycznie wszystko jest w porządku. Polska ma silną bazę naukowo-badawczą, opracowujemy programy rozwojowe, jak i również budowana jest infrastruktura komputera kwantowego, co zmieni nasz potencjał, chociażby jeżeli chodzi o Siły Zbrojne. Dodatkowo specjaliści od fizyki kwantowej, elektroniki i szeroko rozumiana myśl inżynieryjna są dziś w Polsce na światowym poziomie. Podobnie wysoko można ocenić bazę naukowo-badawczą i rozwojową, co niewątpliwie wpływa na postęp w tym obszarze. Kluczowym jest teraz nie zaprzepaścić szansy i wypracowanych rozwiązań inżynieryjnych, które mogą wspierać technikami podwójnego zastosowania: tak przemysł, jak i Siły Zbrojne.

Teoretycznie, pierwszoplanowym celem, wyznaczającym horyzont prac badawczo-rozwojowych o stabilnym, długofalowym finansowaniu jest doprowadzenie rozwiązania do wysokiego poziomu technologicznego TRL (ang. technology readiness levels). Przy schemacie funkcjonowania, jaki jest np. w Narodowym Centrum Nauki lub w Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej można stworzyć rewolucyjną technologię w ciągu pięć lat. Z kolei celem strategicznym powinno być doprowadzenie wykonanego w ten sposób rozwiązania laboratoryjnego do poziomu „rozwiązania sprzętowego dla użytkownika” (9 TRL).

Wszystko to wydaje się proste: identyfikujemy zagadnienie, zapewniamy finansowanie na wiele lat, a po drodze weryfikujemy, czy opisane etapy zostały osiągnięte. Oczywiście jasne zasady i wymóg pełnej odpowiedzialności, to podstawy, jednak konieczna jest również gwarancja, że po stworzeniu zespołu o unikalnych umiejętnościach, zaangażowani w nim naukowcy i wykonawcy będą mogli w nim pracować przez dłuższy okres i budować w ten sposób swoje kariery. Z kolei w działaniach wdrożeniowych trzeba liczyć na zdrowy entuzjazm inżynierów i konstruktorów.

Konsekwencja w działaniu

W programie budowy komputera kwantowego pomaga niewątpliwie fakt, że Polska jest stroną unijnej Deklaracji dotyczącej Technologii Kwantowych Quantum Pact oraz planuje wziąć udział w kolejnych inicjatywach europejskich, w tym: European Quantum Communication Infrastruture EuroQCI (ukierunkowanej na stworzenie bezpiecznej infrastruktury komunikacji kwantowej, obejmującej całą UE), Quantum Flagship oraz European High Performance Computing (związanej z rozwijaniem paneuropejskiej infrastruktury superkomputerowej oraz wspieraniem działalności badawczej i innowacyjnej). Realizacja takiego konkretnego planu wymaga środków finansowych na konieczny polski wkład własny oraz rozwój krajowy poza inicjatywami europejskimi.

Zgodnie z założeniami, infrastruktura pierwszego, polskiego komputera kwantowego ma być gotowa do końca 2025 roku wraz z przygotowanym dla niego oprogramowaniem sterującym. Na ten przełomowy program Narodowe Centrum Badań i Rozwoju wyznaczyło fundusz w wysokości 65 milionów złotych. Prace nie powinny się jednak na tym zakończyć, ponieważ technologia komputerów kwantowych jest stale rozwijana na całym świecie. To, co więc zostało właśnie zbudowane, z wielkim poświęceniem inżynierów i naukowców, trzeba będzie dalej rozwijać, korzystając z nabytych wcześniej kompetencji.

Dodatkowo polscy naukowcy i inżynierowie uczestniczą we flagowych europejskich projektach i towarzyszących im przedsięwzięciach, jakimi są Millenion i Quantera, dotyczących budowy dużych użytecznych komputerów kwantowych. Finansowanie po polskiej stronie służy temu, aby beneficjantami nie były tylko Austria i Niemcy, ale także Polska. Polska nie będzie musiała wtedy kupować tzw. black box z licznymi, technologicznymi ograniczeniami co do jego wykorzystania, ale uzyska dostęp do pełnych rozwiązań inżynierskich, wnosząc efekty swoich wysiłków rozwojowych do inżynierii w tym obszarze.

Finansowanie jest więc niezbędne, by utrzymać zbudowane zespoły kompetencyjne oraz na bieżąco implementować osiągnięcia zespołów międzynarodowych, w których uczestniczą polscy badacze i konstruktorzy. W przypadku projektu budowy komputera kwantowego oznacza to relatywne niewielkie inwestycje w komponenty zagraniczne, związane np. z wymianą pułapki jonowej oraz istotne inwestycje w kadrę inżynieryjną i badawczą, która zbuduje nowszą, bardziej wydajną elektronikę oraz oprogramowanie, „wyciskające” jak najwięcej z nowego, kwantowego procesora.

Uzyskuje się w ten sposób kompetencje oraz IPR (Prawa Własności Intelektualnej), które zostają w kraju i są obecnie komercjalizowane. Eksportowana elektronika sterująca, jako efekt polskich projektów inżynieryjnych w postaci sprzętowej, znajduje się już bowiem w łańcuchu dostaw firm budujących komputery kwantowe na świecie.

Czym w ogóle jest komputer kwantowy?

Opisanie w sposób prosty, czym tak naprawdę jest komputer kwantowy, przy złożoności materii może być bardzo trudne. W porównaniu do typowego laptopa różnice są widoczne praktycznie wszędzie. Przykładowo, podstawową jednostką informacji w komputerze kwantowym nie jest klasyczny dwuwartościowy, zero-jedynkowy bit, ale kubit (z ang. quantum bit) - najmniejsza i niepodzielna jednostka informacji kwantowej. Jaka jest różnica? Kolokwialnie rzecz opisując: zero-jedynkowy bit osiąga się dzięki mikrotranzystorom, a więc elektronicznym przełącznikom, które można włączyć (1) lub wyłączyć (0), wykorzystując ten fakt do reprezentacji obliczeń o charakterze arytmetycznym lub logicznym.

W przypadku kubitów, elementem teoretycznie zastępującym tranzystor jest specjalnie dobrana cząstka subatomowa, która może mieć o wiele więcej stanów niż dwa: osiągając również ich superpozycje. W praktyce zysk obliczeniowy wystąpi w aplikacjach, które wymagają przeprowadzenia wielokrotnych obliczeń na tym samym zbiorze danych. Przykładem może być, przydatna np. w kryptografii, próba znalezienie liczb pierwszych, które są składnikami olbrzymiej liczby o długości 2000 cyfr. Normalny komputer potrzebuje dzielić tę wielką liczbę przez kolejne liczby pierwsze, co według naukowców zajmie tyle, co wiek wszechświata lub podobny, niepraktyczny czas. I to właśnie dlatego ten mechanizm jest wykorzystywany do szyfrowania danych.

W przypadku komputera kwantowego sprawa jest o wiele szybsza, ponieważ taki komputer pozwala dzielić tą liczbę jednocześnie przez wszystkie liczby pierwsze. Wynik uzyska się więc dosłownie po kilkuset przejściach algorytmu, a więc po kilku godzinach. Komputery kwantowe wykazują swoją przewagę obliczeniową również w takich operacjach jak: wyszukiwanie znanych artefaktów w zdjęciach satelitarnych, optymalizacja logistyki („problem komiwojażera”), czy przeszukiwanie baz danych. Aby te działania były możliwe, komputer kwantowy musi jednak posiadać tysiące, bardzo dobrych jakościowo kubitów.

Polacy nie gęsi!

W opracowywanym przez krajową myśl inżynieryjną komputerze kwantowym takimi elementami zastępującymi funkcje mikrotranzystorów są jony wapnia ⁴⁰Ca⁺ złapane w pułapkach elektromagnetycznych umieszczonych w środowisku ultrawysokiej próżni. Jest to konieczne ze względu na niezbędne ograniczenia związane z niekontrolowanym oddziaływania jonów ze środowiskiem zewnętrznym. Tymczasem to właśnie stany energetyczne (kwantowe) tych jonów mają dawać to, co się określa jako kubit. By to jednak zrobić, trzeba obniżyć temperaturę jonów wapnia niemal do zera bezwzględnego, „pułapkować” je wykorzystując zmienne i stałe pola elektryczne (które oddziałują z ładunkiem elektrycznym jonu) oraz manipulować stanami kwantowymi tych jonów za pomocą precyzyjnych impulsów laserowych.

Samo schłodzenie jonów odbywa się dzięki laserom. Najpierw, wykorzystując ablację laserową, atomy wapnia są uwalniane ze specjalnej pastylki. Następnie, lasery o precyzyjnie dobranych długościach fal, jonizują atomy, umożliwiając złapanie jonów we wspólnej pułapce, które po schłodzeniu kolejnym zestawem laserów osiągają temperaturę bliską zeru bezwzględnemu (ustawiając się w charakterystycznym, liniowym szyku).

Tak schłodzone jony są później wzbudzane laserem o ultraprecyzyjnie wystabilizowanej częstotliwości, przechodząc ze stanu podstawowego do tzw. stanu wzbudzonego. To właśnie wzbudzanie tych przejść pozwala na manipulację stanami kubitu, przygotowanie bramek kwantowych (które są niezbędne do tworzenia algorytmów) i w efekcie na przeprowadzanie obliczeń. Później trzeba już tylko odczytać wynik obliczeń poprzez detekcję stanu kwantowego układu za pomocą bardzo czułej kamery – detektora matrycowego (np. sCCD) i je zinterpretować.

Sprawa jest więc skomplikowana, tym bardziej że dzięki światłu laserowemu można również poszczególne jony splątywać ze sobą, co daje możliwość wspólnego przetwarzania postawionego zadania, wykorzystując fakt pojawienia się korelacji między stanami układu, mających czysto kwantową naturę. Do wykonywania obliczeń w komputerach kwantowych wykorzystuje się bramki kwantowe, tworzone z układu jonów o odpowiednich ustawionych laserowo stanach kwantowych. Zadaniem tych bramek jest zmiana wartość kubitu w zależności od wyniku obliczeń.

Warto zaznaczyć, że w tej części Europy jest to jeden z pierwszych układów, który pozwala na dokonywanie takich operacji. Oczywiście w skali globalnej, podobnych układów jest więcej, jednak są to głównie urządzenia laboratoryjne, podczas gdy infrastruktura budowana w Warszawie już od początku uwzględnia możliwość zdalnego i bezpiecznego dostępu do urządzenia oraz konieczność minimalnej ingerencji człowieka w jej codzienną pracę. Pod tymi względami polskie rozwiązanie znacznie wykracza poza to, co można spotkać w większości laboratoriów zajmujących się podobną tematyką. Polscy naukowcy opanowali także sztukę umiejętnego wykorzystania wymienionych powyżej nieoczywistych właściwości kwantowych.

Jakie to daje możliwości najlepiej pokazać na przykładzie komputera kwantowego budowanego obecnie w Polsce. Docelowo planuje się w nim utworzyć 20 kubitów, podobnie zresztą jak będzie w komputerze kwantowym kupowanym przez konsorcjum EuroQCS-Poland (przy współfinansowaniu Ministerstwa Cyfryzacji), który od połowy 2025 roku ma być instalowany i uruchomiony w Poznańskim Centrum Superkomputerowo-Sieciowym PCSS.

Przy 20 bitach (tylko ze stanami 0 i 1) otrzymujemy ponad milion różnych kombinacji stanów (2 do potęgi 20). Przy 20 kubitach wszystkie te stany może osiągnąć jednocześnie. Wielokrotnie przyśpiesza to proces realizowania obliczeń, których nie trzeba wykonywać po kolei, liniowo, ale można je robić równolegle. Co więcej, komputer kwantowy może widzieć nie tylko rekordy, które mają ściśle określoną wartość, ale także te, które zależą od okoliczności i mogą być określone z pewnym prawdopodobieństwem.

W ten sposób pojawia się możliwość szybkiego symulowania pewnych reakcji oraz interakcji i samodzielnego generowania innowacyjnych rozwiązań. Można to np. wykorzystać w farmakologii (przy projektowaniu nowych leków) lub w logistyce (rozwiązując zadania optymalizacyjne związane np. z zarządzaniem zasobami lub planowaniem tras). Owszem, te zastosowania są jeszcze nieco hipotetyczne, gdyż nikt na świecie nie pokazał jeszcze komputera kwantowego, który by przyspieszył tego rodzaju obliczenia w stosunku do superkomputerów. Jednak zarówno wielkie firmy, jak i wiele grup badawczych skupionych na tych zagadnieniach pracują i można mieć realistyczną nadzieję, że to wszystko jest tylko kwestią czasu.

Oczekuje się, że komputery kwantowe przyśpieszą też prace nad sztuczną inteligencją, jak również dadzą możliwość łamania obecnych metod szyfrowania (stosując tzw. algorytm Shora) i tworzenia nowych, wydajniejszych kwantowych systemów ochrony danych (nawet przewidując z wyprzedzeniem zagrożenia cybernetyczne). Już teraz pojawiają się oceny, że szyfry 256 bitowe, które obecnie stały się standardem w cyberbezpieczeństwie, byłyby łamane dzięki komputerom kwantowym w czasie mniejszym niż minuta (gdy obecnie potrzeba na to co najmniej kilku miesięcy).

Kto buduje pierwszy polski komputer kwantowy?

Prototyp pierwszego krajowego komputera kwantowego, a dokładniej „modularna infrastruktura komputera kwantowego MIKOK do specjalnych i wojskowych zastosowań informatycznych” powstaje w konsorcjum, którego liderem jest Politechnika Warszawska i do którego dodatkowo należą: Wojskowa Akademia Techniczna, Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia, Politechnika Śląska oraz firma SONOVERO R&D sp. z o.o. Projekt jest realizowany w ramach konkursu przeprowadzonego przez Dział Zarządzania Programami i Projektami na Rzecz Bezpieczeństwa i Obronności Państwa Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. NCBR przeznaczył na tą inwestycję kwotę ponad 65 mln zł. W prace zaangażowały się ponadto, jako gestor projektu, Dowództwo Komponentu Wojsk Obrony Cyberprzestrzeni oraz Wojska Obrony Cyberprzestrzeni, które są szczególnie zainteresowane wykorzystaniem technologii kwantowych w kryptografii i kryptoanalizie.

W projekcie uczestniczy bezpośrednio kilkadziesiąt osób, w tym fizycy specjalizujący się w eksperymentalnej fizyce kwantowej, inżynierowie konstruktorzy elektronicy i optoelektronicy, informatycy i specjaliści od algorytmów kwantowych oraz eksperci od spraw cyberbezpieczeństwa. Prace są realizowane głównie w CEZAMAT PW Politechniki Warszawskiej, czyli w miejscu, gdzie są łączone prace nad różnymi technologiami (układów scalonych, kwantowymi, optycznymi, fotonicznymi i terahercowymi oraz biotechnologią) i laboratoriach Wojskowej Akademii Technicznej przy wsparciu ekspertów z sektora prywatnego i innych polskich uczelni (Uniwersytetu Warszawskiego i Jagiellońskiego).

Współpraca dotyczy także ośrodków zagranicznych. Budowa pierwszego, polskiego komputera kwantowego realizowana jest bowiem również we współpracy z renomowanymi firmami technologicznymi i ośrodkami naukowymi takimi jak: austriacka firma Alpine Quantum Technologies AQT (który jest dostawcą technologii pułapek jonowych), niemiecka firma Toptica (który jest dostawcą specjalistycznych precyzyjnych laserów), a także w aspekcie doświadczeń kwantowych: z europejskim ośrodkiem naukowo badawczym CERN w Szwajcarii, Uniwersytetami Innsbrucku, Oxford, Duke i Maryland oraz Narodowym Instytutem Metrologii (PTB) w Niemczech.

W międzyczasie trwają prace nad uniezależnieniem się od zewnętrznych dostawców – co w pierwszej kolejności będzie dotyczyło systemów laserowych. Te, które zostały obecnie zakupione, są globalnym standardem używanym przez niemal wszystkie zespoły pracujące nad konstrukcją komputerów kwantowych wykorzystujących jony lub atomy neutralne. Nie są to jednak systemy laserowe w pełni zgodne ze standardami przemysłowymi, tzn. dla zapewnienia niezawodnej pracy nadal wymagają częstych interwencji użytkownika, który musi mieć specjalistyczne doświadczenie w pracy z takimi układami. Nie są więc tak bezobsługowe, jak lasery wykorzystywane w telekomunikacji.

O ile stan ten jest akceptowalny w laboratoriach badawczych, to stanowi już istotny problem w utrzymaniu infrastruktury komputera kwantowego na poziomie sterowania znanym z infrastruktury IT.

Jaki będzie „polski” komputer kwantowy?

Zgodnie z planem, prototyp infrastruktury komputera kwantowego, czyli bazowej instalacji technicznej, służącej docelowemu rozwiązania, wyposażonemu w pełen stos obliczeniowy, ma powstać do końca 2025 roku. Ma to gwarantować najbardziej krytyczne cechy w tej technologii – w tym stabilność precyzyjnego sterowania i powtarzalność, niezbędną dla procesów kwantowych.

Wtedy „kompetencje w zakresie algorytmiki kwantowej”, których zdobycie według wojska miało być głównym celem projektu, będą ostatecznie w pełni wykorzystane. Prace związane z zastosowaniem komputera kwantowego dla wojska (np. w obszarze kryptografii kwantowej i postkwantowej) będą więc prowadzone dalej i dlatego tak ważna jest jego kontynuacja i ciągły rozwój urządzenia na potrzeby Cyber Wojska.

To przyszłościowe rozwiązanie, realizowane zgodnie z planem, powstaje w dużej części siłami rodzimych naukowców, chociaż w przypadku hardware’u część rozwiązań na razie została zakupiona za granicą. W skład pierwszej polskiej infrastruktury komputera kwantowego, zabudowanej w jednym z pomieszczeń centrum CEZAMAT PW, wchodzą m.in.: układy próżniowe, pułapka jonowa, precyzyjne układy laserowe do chłodzenia i zmiany stanów kwantowych jonów uwięzionych w tej pułapce, systemy elektroniczne sterujące laserami i pułapką jonową z precyzyjną stabilizacją, optyka światłowodowa, elementy pomiarowe oraz system komputerowy z oprogramowaniem zarządzający całym rozwiązaniem.

Polski komputer kwantowy opiera się o technologię pułapek jonowych austriackiej firmy AQT i niemieckich laserów firmy Toptica. Zdobycie własnych kompetencji w tej dziedzinie już jednak następuje, co stanowi sukces rozwojowy i inżynieryjny. W Polsce tworzone jest więc nowatorskie w tej części Europy rozwiązanie, a jego zbudowanie pozwoli zbliżyć nas do czołowych krajów świata w tej dziedzinie.

Oczywiście nie wiadomo, czy będziemy mogli w pełni konkurować na kwantowym rynku z takimi potentatami jak np. z firmą IonQ (budująca komputery kwantowe wykorzystujące jony). Jednak jeśli chodzi o budowę szybkiej, modułowej elektroniki sterującej eksperymentami kwantowymi, a tym samym infrastrukturami komputerów kwantowych, to jesteśmy w światowej czołówce, współpracując z czołowymi instytutami i ośrodkami projektowymi, wykorzystując również wiedzę i doświadczenie nabyte podczas realizacji całego projektu. To wydatnie pokazuje, jak ważne jest szybkie określenie i wprowadzenie specjalnej strategii rozwojowej tej technologii np. Narodowego Programu Kwantowego.

Polska planuje zbudować prototyp komputera, który początkowo będzie miał maksymalnie dwadzieścia kubitów. Z pozoru nie jest to dużo, patrząc na firmę IBM pracującą obecnie nad komputerem kwantowym o mocy ponad tysiąc kubitów, a także nad uniwersalnym komputerem kwantowym o projektowanej mocy liczonej w milionie kubitów (projekty z konkursu QuantERA).

Trzeba jednak pamiętać, że tysiąc kubitów w projekcie IBM może w praktyce odpowiadać kilkudziesięciu kubitom w układach wykorzystujących jony. Tak naprawdę istotne jest bowiem to, ile tych kubitów może być wykorzystanych do uruchomienia algorytmów kwantowych. Widać to najlepiej na przykładzie europejskiego 1000-kubitowego procesora kwantowego na pułapkach jonowych, nad którym pracują już polscy naukowcy i firmy, który będzie w stanie osiągnąć to, co procesor IBM oparty na milionie kubitów nadprzewodzących.

W praktyce liczy się więc nie liczba kubitów, ale tzw.quantum volume, czyli w przybliżeniu liczba kubitów mnożona przez głębokość algorytmu, który da się zrealizować. Ze względu na niską jakość (dla bramek) kubitów nadprzewodzących nie da się z ich pomocą zrealizować zbyt długich algorytmów. Co więcej, te kubity są splątane tylko grupkami po kilka, podczas gdy w pułapkach jonowych możemy splątać ich dużo więcej oraz przenosić kubity z informacją kwantową pomiędzy pułapkami, co w przypadku tych nadprzewodzących nie jest możliwe.

W tym wszystkim ważne jest to, że modułowa struktura tworzonego w Polsce komputera kwantowego z założenia będzie pozwalała na skalowanie systemu w przyszłości, dając możliwość dokładania kolejnych kubitów. Nie jest to jednak tak proste, jak czasem można przeczytać w materiałach marketingowych. Im tych kubitów jest więcej, tym większe są zakłócenia utrudniających utrzymanie kubitów w stabilnym stanie w większej liczbie pułapek. Stabilność systemów kwantowych oczywiście w dużej mierze uzależniona jest od jakości systemów sterowania, jednak mogą się pojawić nowe inżynierskie problemy, które trzeba będzie przełamać.

Dlatego właśnie prowadzone są badania rozwojowe w zakresie inżynieryjnym (minimalizacja szumów, maksymalizacja stabilności systemów sterowania, korekcja błędów na poziomie kubitowym i algorytmicznym), które nie stanowią informacji powszechnie podawanych w publikacjach naukowych. Zakres skalowalności, jaką zakłada się w pracy wielokubitowego komputera kwantowego, nie jest tą z wersji „laboratoryjnej”.

Obecnie większość z komputerów kwantowych na pułapkach jonowych pracuje w temperaturze pokojowej, a do temperatur bliskich zera bezwzględnego chłodzone są jedynie jony. Jednak by istotnie zmniejszyć poziom szumów i zakłóceń, nowe konstrukcje komputerów kwantowych na pułapkach jonowych wykorzystują już kriogenikę. Okazało się, że wsadzenie całej pułapki jonowej do kriostatu wydatnie poprawia parametry układu i pozwala osiągnąć tzw. fidelity na poziomie 99,999%.

Wyraźnie komplikuje to jednak budowę od strony inżynieryjnej. Wymaga bowiem m.in. przeniesienia części systemu sterowania do wnętrza kriostatu. Na szczęście naukowcy z Politechniki Warszawskiej mają już takie doświadczenia, gdyż pracowali przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN, w którym elektronika często pracuje w temperaturach kriogenicznych. Pozyskane tam doświadczenia są obecnie wdrażane w projektach Quantum Flagship, w którym polskie zespoły budują kriogeniczne, wysokonapięciowe układy scalone do kontroli nowych procesorów kwantowych.

Nie bez powodu to, co my chcemy wykorzystać, a więc spułapkowane jony wapnia ⁴⁰Ca⁺, uważa się za najbardziej obiecującą i najstabilniejszą technologię w dziedzinie komputerów kwantowych (wykorzystywaną np. przez laboratoria uniwersytetów oraz firmy spin-off w Oxfordzie i Insbrucku). Poziomy energetyczne jonów wapnia są dobrze zdefiniowane, a ich stany kwantowe udaje się dobrze kontrolować za pomocą odpowiedniej elektroniki i systemów sterowania.

Problemy związane z opracowaniem naprawdę polskiego rozwiązania dotyczą jednak praktycznie każdej dziedziny. Do rozbudowywania własnego komputera kwantowego trzeba np. projektować i produkować dla niego nowoczesne kriogeniczne układy scalone i procesory kwantowe w technologii fotoniki scalonej, pozwalające na zwiększenie liczby kubitów nawet do tysięcy.

Ogromne możliwości stworzono poprzez zbudowanie laboratorium projektu w CEZAMAT PW, szczególnie w zakresie infrastruktury badawczo-rozwojowej oraz kadry naukowo-inżynieryjnej. CEZAMAT PW jako centrum wdrażania zaawansowanych technologii z zakresu inżynierii, czyli budowanie technicznych rozwiązań sprzętowych na poziomie użytkowym, jest niezmiernie ważne dla tworzenia w Polsce infrastruktury kwantowej od podstaw. Nikt nie wątpi, że budowa polskiego komputera kwantowego jest potrzebna, chociażby ze względu na szeroko pojęte bezpieczeństwo i krajową niezależność technologiczną.

Czerpanie z doświadczeń innych podmiotów (jak np. z pułapek jonowych austriackiej firmy AQT) we współpracy technicznej nie jest niczym złym, po to aby Polska tworzyła swoje zdolności w projektowaniu i budowie komputerów kwantowych w sensie inżynieryjnym, a nie tylko badawczym (zjawiskowym).

Polskie, unikalne rozwiązania są jednak widocznie: głównie w modułowej „elektronice” sterującej i synchronizującej oraz w oprogramowaniu potrzebnym do optymalizacji obliczeń kwantowych, także niskopoziomowym osadzonym na warstwach sprzętowych systemu SINARA (specjalne rozwiązanie modułów sprzętowych). Tutaj szczególnie dużo do powiedzenia ma Politechnika Warszawska (sterowanie i pomiary parametrów systemu wspierających pułapkę jonową) a w optoelektronice - Wojskowa Akademia Techniczna (budując np. stabilny rejestr kwantowy).

Jest to ważne, ponieważ do każdego komputera kwantowego (także w różnych technologiach, w tym nadprzewodzące, jonowe, optyczne) potrzebne są ściśle dla nich przeznaczone algorytmy (oparte na bramkach kwantowych). Ich samodzielne opracowanie pozwoli nam zachować pełną kontrolę nad komputerem, unikając możliwości pozostawienia przez kogoś jakiś luk (backdoor) w oprogramowaniu, dających nieautoryzowany dostęp z zewnątrz. Ale wiąże się to z ryzykiem rozwojowym, ponieważ nie znamy wszystkich problemów, jakie trzeba będzie rozwiązać, by całość działała stabilnie (np. przy zwiększaniu liczby kubitów i rozbudowie algorytmów opartych na bramkach o przeznaczeniu specjalnym).

Dlatego naszym celem w technologiach kwantowych powinna być rzeczywiście autonomia oraz zdolność rozwoju w oparciu o własne kadry i silną współpracę z użytkownikiem (np. DKWOC). Jednak by ją osiągnąć, potrzebne jest planowe działanie, z odpowiednimi środkami na jego zrealizowanie i według ustalonych założeń technicznych. Wtedy budowana do końca 2025 roku infrastruktura komputera kwantowego docelowo spełni potrzeby Gestora.

Głównym sukcesem nie będzie więc tylko samo urządzenie, ale zbudowanie w trakcie jego opracowania bazy do dalszych prac. Będzie już odpowiednia, wyszkolona kadra z doświadczeniem, będą już realne rozwiązania opracowane w Polsce i unikalne na świecie oraz będzie cenny materiał z testów użytkowych i eksploatacyjnych.

Artykuł został opracowany na bazie materiałów dostarczonych przez Politechnikę Warszawską.