Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk

Center for Theoretical Physics of the Polish Academy of Sciences

Instytut naukowy kategorii A

 Wybrane projekty / granty w CFT PAN   

Grant FNP TEAM-NET pt. Komputery kwantowe w najbliższej przyszłości: wyzwania, optymalne implementacje i zastosowania praktyczne; Fundacja na rzecz Nauki Polskiej (FNP).

Kierownik projektu: prof.  Marek Kuś; lider zespołu w CFT PAN: dr hab. Michał Oszmaniec.

Jest to grant z Fundacji na rzecz Nauki Polskiej przyznany dla konsorcjum. Projekt jest realizowany przez cztery zespoły badawcze w: Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, Instytucie Informatyki Teoretycznej i Stosowanej PAN oraz Uniwersytecie Jagiellońskim.

W Centrum Fizyki Teoretycznej PAN działa jedna grupa badawcza, której liderem jest dr Michał Oszmaniec. W Instytucie Informatyki Teoretycznej i Stosowanej PAN projekt jest realizowany w grupie Quantum Machine Learning pod kierownictwem Zbigniewa Puchały, który zajmuje się kwantowymi algorytmami. Natomiast na Uniwersytecie Jagiellońskim są dwie grupy badawcze; jedną z nich kieruj dr Kamil Korzekwa z Wydziału Fizyki UJ.

Cel projektu: Scharakteryzowanie i optymalizacja obliczeń kwantowych wykonywanych przez kubity, czyli podstawowe jednostki komputera kwantowego.  

Rezultaty badań będą kolejnym etapem w procesie budowy komputera kwantowego, nad którym nieustannie pracują naukowcy i przedsiębiorstwa z całego świata. Na realizację projektu TEAM-NET uczeni otrzymali dofinansowanie od Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, w wysokości ponad 17 mln zł.

Prof. Marek Kuś, Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w Warszawie: „Komputery kwantowe pozwolą rozwiązywać skomplikowane problemy z wielu dziedzin nauki i przemysłu dużo szybciej i efektywniej niż najlepsze komputery klasyczne. W ciągu kilka sekund potrafią one wykonać obliczenia, które komputerowi klasycznemu mogą zająć nawet kilka lat.  A jest to możliwe dlatego, że w komputerach kwantowych informacje zapisywane są w kubitach (od angielskiego quantum bit). Kubit od zwykłego bitu różni się tym, że nie ma ustalonej wartości 0 lub 1, ale zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej znajduje się w stanie pośrednim, nazywanym superpozycją. Oznacza to, że jednocześnie znajduje się i w stanie 0, i w stanie 1. A zatem, kubit niesie w sobie znacznie więcej informacji niż zero-jedynkowy bit. Na dodatek, kubity mogą być ze sobą splątane: dwa kubity to już cztery splątane ze sobą wartości, trzy kubity – osiem wartości, i tak dalej. Stanów pojedynczych kubitów  nie można traktować jako niezależnych, bo zmiana jednego wpływa na wszystkie pozostałe. Właśnie dzięki splątaniu kubitów, komputer kwantowy może wykonywać obliczenia na wszystkich wartościach jednocześnie, co daje mu potężną moc obliczeniową. Choć sprawa komplikuje się z uwagi na konieczność „odczytania” wyników takiego obliczenia, co nieuchronnie niszczy stan kwantowy.

Komputer kwantowy, gdy już powstanie, pozwoli na błyskawiczne wyszukiwanie potrzebnych informacji w ogromnych ilościach danych oraz umożliwi przeprowadzanie najbardziej skomplikowanych, wielopłaszczyznowych symulacji z nieograniczoną liczbą czynników. Technologia ta z pewnością znajdzie zastosowanie w naukach o życiu, medycynie i przemyśle farmaceutycznym, gdzie posłuży do odkrywania nowych leków. Innym sektorem oczekującym na powstanie komputerów kwantowych jest bankowość i cała branża finansowa, która skorzysta m.in. na możliwości doskonałego symulowania zachowań giełdy”.

Jest to pierwszy projekt w Polsce dedykowany komputerom kwantowym na tak dużą skalę.

Projekt  pt. Ograniczenia na własności ciemnej energii w oparciu o obserwacje aktywnych galaktyk, Narodowe Centrum Nauki (NCN).

Kierownik grantu: prof. Bożena Jadwiga Czerny.

Celem projektu jest wdrożenie zupełnie nowej metody określania tempa ekspansji Wszechświata, a zatem własności ciemnej energii. Metoda jest oparta o wykorzystanie aktywnych galaktyk, w tym w dużej mierze najjaśniejszych aktywnych galaktyk – kwazarów.

Projekt „Hiperakrecja materii na czarną dziurę”;  Narodowe Centrum Nauki (NCN).

Kierownik projektu: prof. Agnieszka Janiuk.  

Opis projektu: Rozchodząca się w ośrodku międzygwiazdowym, z prędkością bliską prędkości światła, struga rzadkiej, namagnesowanej plazmy, jest odpowiedzialna za emisję promieniowania gamma, które dociera do nas w postaci błysku. Ponadto, jeśli czarna dziura szybko się obraca, to energia jej rotacji może być przekazywana do dżetu (lub do dysku), za pośrednictwem pola magnetycznego. W badaniach, dzięki symulacjom numerycznym, postaramy się odpowiedzieć na pytanie, jak wygląda struktura fizyczna i w jaki sposób powinien działać tego typu „silnik”, aby mogły zostać wyprodukowane błyski gamma o obserwowanym czasie trwania, zmienności i energetyce.

Projekt  „VErTIGO-Ruchy Galaktyk Testują Grawitację i Kosmologię; Narodowe Centrum Nauki (NCN).

Kierownik projektu prof. Wojciech Andrzej Hellwing.

Cel projektu: Projekt  ten ma na celu  testowanie teorii grawitacji i kosmologii poprzez obserwację ruchu galaktyk. Obowiązującą teorią grawitacji jest teoria Einsteina, aczkolwiek istnieje szereg rozszerzeń tej teorii, które mogłyby wyjaśnić inne zjawiska. Aktualnie nie istnieje spójna teoria, która opisywałaby grawitację w sposób kwantowy, a więc naukowcy podejmują różne próby, aby ten problem weryfikować i właśnie tego dotyczy ten projekt.

Projekt pt. Protokoły samokontroli dla wieloczęściowych stanów kwantowych; Fundacja na rzecz Nauki Polskiej (FNP).

 Kierownik projektu: prof. Remigiusz Augusiak.

Opis projektu: Jeśli posiadamy urządzenie kwantowe służące do kodowania danych przesyłanych między bankiem a klientem to, aby potwierdzić jego prawdziwość musi ono przejść szereg testów tzw. self-testing. Opracowaniem tego typu metod zajmuje się prof. R. Augusiak. 

Projekt  pt. Lokalny relatywistyczny rachunek zaburzeń w hydrodynamice i ogólnej teorii względności oraz jego zastosowania w kosmologii; Narodowe Centrum Nauki (NCN).

Kierownik projektu: prof. Mikołaj  Korzyński.

Cel projektu: Głównym celem projektu  jest sprawdzenie jak obecność hierarchicznej struktury rozkładu materii wpływa na rozchodzenie się światła we Wszechświecie. W szczególności profesor zajmie się efektami dryfu, czyli powolnymi zmianami położenia i wyglądu odległych obiektów, spowodowanymi rozszerzaniem się Wszechświata oraz obecnością zmieniających się w czasie niejednorodności.

Projekt pt. Optymalność, uniwersalność i sterowalność w teorii obliczeń kwantowych; Narodowe Centrum Nauki (NCN).

Kierownik projektu: prof. Adam Sawicki, współpraca dr Katarzyna Karnas.

Opis projektu: W pamięci klasycznego komputera zapisane są bity, które przyjmują wartość jeden albo zero i reprezentują odpowiednio logiczną prawdę i fałsz. Program komputerowy to sekwencja operacji, które realizowane są za pomocą funkcji Boolowskich działających na bitach w celu uzyskania określonego efektu. Funkcje Boolowskie to operacje logiczne, które są fizycznie realizowane za pomocą bramek logicznych – urządzeń elektronicznych, które wykonują określone operacje logiczne. Zbiór bramek, a w zasadzie typów bramek, który umożliwia implementację dowolnej funkcji Boolowskiej, nazywamy uniwersalnym zbiorem bramek. Przykładowo bramki typu {AND, OR, NOT}, które realizują koniunkcje, alternatywę oraz negację czy też bramka typu {NAND}, która realizuje negację koniunkcji są zbiorami uniwersalnymi. Godny uwagi jest też fakt, że istnieje tylko skończona liczba funkcji Boolowskich działających na n bitach. Komputer kwantowy przedstawiany jest jako urządzenie, które operuje na bitach kwantowych czyli tzw. kubitach. Kubit to najprostszy możliwy układ kwantowo-mechaniczny ma bowiem tylko dwa stany bazowe, o których możemy myśleć jako o stanach prawdy i fałszu. Fizycznie kubit odpowiada chociażby polaryzacji światła (pionowa, pozioma), czy też spinowi cząstki (spin do góry, spin do dołu). Mechanika kwantowa zapewnia, że stan kubitu możne być dowolną superpozycją stanu prawdy z prawdopodobieństwem p1 i stanu fałszu z prawdopodobieństwem p2, gdzie p1+p2=1. Zbiór stanów kwantowych kubitu jest więc dużo większy niż dla bitu klasycznego, który przyjmuje tylko dwie wartości. Zwiększenie liczby stanów ma również pośrednie przełożenie w wielokrotnym zwiększeniu szybkości działania komputera operującego na kubitach. Bramki kwantowe, a więc operacje, które zmieniają stan kubitu z jednej superpozycji stanu prawdy i fałszu w drugą, przy zachowaniu sumy prawdopodobieństw równej jedności, tworzą zbiór, który ma strukturę dwuwymiarowej grupy unitarnej SU(2). Grupa ta zawiera nieprzeliczalnie wiele elementów. Wytworzenie nieprzeliczalnie wielu bramek w rzeczywistym laboratorium jest fizycznie niemożliwe. Podobnie jak w wypadku klasycznym, zazwyczaj mamy dostęp tylko do kilku ustalonych typów bramek, z których budujemy kolejne bramki. W ten sposób można zbudować co najwyżej przeliczalnie wiele operacji z SU(2). Niemniej jednak mogą one wciąż tworzyć gęsty zbiór w SU(2) co z kolei oznacza możliwość zbudowania dowolnej bramki kwantowej z dowolnie dużą precyzją. Przykładowo słynny zbiór bramek {H,T} składający się z tzw. bramki Hadamarda i bramki fazowej ma tę własność i dlatego nazywamy go uniwersalnym zbiorem bramek dla jednego kubitu. Oczywiście komputer kwantowy potrzebuje więcej niż jednego kubitu do efektywnej pracy i należy dodać kolejne typy bramek, które umożliwią operacje wielokubitowe. W ten sposób otrzymujemy najprostszy model, który może posłużyć do obliczeń kwantowych. W projekcie tym chcemy skupić się na rożnych aspektach problemów uniwersalności dla układów jedno- i wielo-kuditowych. Są to nieodłączne problemy związane z jakimikolwiek obliczeniami kwantowymi. Naszym głównym celem jest jednorodny matematycznie opis problemów uniwersalności w dowolnej liczbie wymiarów oraz znalezienie odpowiedzi na kilka istotnych, ze względu na potencjalne zastosowania, pytań wynikających z rozważania tego typu zagadnień. Przez kudit rozumiemy d-stanowy układ kwantowy, gdzie d>2. Układ taki może być efektywnie zrealizowany przy pomocy sprzężeń międzymodowych w sieciach optycznych. W wypadku takiej implementacji bramki operujące na stanach kuditu nazywamy bramkami optycznymi i w wypadku, gdy mamy d modów światła tworzą one d-wymiarową grupę unitarna SU(d) (lub ortogonalna SO(d)). Ostatnio pojawiły się próby zrozumienia, które typy bramek optycznych generują gęste zbiory w SU(d). Pokazano, ze każda 2-modowa bramka, jeżeli pozwolimy jej działać na dowolnych parach modów układu d-modowego, ma te własność. Podobny rezultat został otrzymany dla bramki 3-modowej.

Naszym celem jest rozwinięcie nowych metod, które pozwolą na lepsze zrozumienie wielowymiarowych problemów uniwersalności. Miedzy innymi chcemy opisać warunki, jakie musi spełniać d-modowa bramka optyczna aby być uniwersalna. Co więcej chcemy dokonać klasyfikacji tych bramek, które można otrzymać bez przybliżenia z danej bramki optycznej oraz zrozumieć, której należy użyć w celu efektywnej budowy. Metody, które planujemy użyć to teoria sterowania, metody geometryczne oraz pewne elementy algebraicznej teorii liczb. Wyróżniającą cecha tego projektu jest więc interdyscyplinarność i rzadko spotykana kombinacja metod badawczych oraz zaangażowanych wykonawców.

Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, Al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa