Centrum Fizyki Teoretycznej  PAN  Kategoria naukowa A

Izabela Blimel: Jaka jest krótka historia powstania Centrum Fizyki Teoretycznej PAN?

Prof. Adam Sawicki , Dyrektor CFT PAN:

Centrum Fizyki Teoretycznej PAN powstało w 1980 roku z inicjatywy prof. dr hab. Iwo Białynickiego-Biruli, wieloletniego dyrektora tej placówki. W kolejnych latach funkcję dyrektora pełnił prof. Lech Mankiewicz. Podczas pierwszych dwunastu lat swojego istnienia placówka nosiła nazwę Zakładu Fizyki Teoretycznej PAN. Dziś Centrum Fizyki Teoretycznej PAN jest jedną z najmniejszych i jednocześnie najprężniej działających placówek naukowych Polskiej Akademii Nauk. Warto podkreślić, iż CFT PAN rozwija się dynamicznie o czym świadczy, między innymi, wzrost liczby pracowników z 22 do ponad 50, w 2020 roku.  

I.B.: Jakie są obszary badawcze w CFT PAN?

A.S.: Centrum prowadzi działalność naukową w kilku ważnych działach fizyki teoretycznej i astrofizyki. Są to: klasyczna i kwantowa teoria pola ze szczególnym uwzględnieniem elektromagnetyzmu i grawitacji; optyka kwantowa; podstawy mechaniki kwantowej i jej zastosowania do teorii informacji; termodynamika mezoskopowych układów kwantowych; fizyka nowych stanów materii; astrofizyka wysokich energii oraz rola nauki w społeczeństwie XXI wieku, a także neuroinżynieria.

I.B.: W  lutym bieżącego roku odwiedził Pan Kalifornię, proszę powiedzieć w kilku słowach o tej wizycie? 

A.S.: American Institute of Mathematics zorganizował  konferencję dla naukowców zajmujących się cząstkami na grafach. A ponieważ moja praca doktorska z matematyki, którą obroniłem na uniwersytecie w Bristolu, dotyczyła tego tematu, zostałem zaproszony do udziału w konferencji. Podczas wizyty w Kalifornii pracowaliśmy w małych grupach nad rozwiązaniami nowych problemów i mam nadzieję, że w efekcie powstanie ciekawa publikacja naukowa. W spotkaniu wraz ze mną uczestniczył doktorant Tomasz Maciążek, który obecnie przebywa na postdocu na uniwersytecie w Bristolu.

Chciałbym dodać, iż cząstki na grafach w kontekście, czy istnieją nowe zjawiska, które można by zaobserwować patrząc na ich topologiczne własności konfiguracyjne, stanowią jedną z gałęzi moich zainteresowań. Z kolei, drugim pasjonującym mnie tematem, którym zajmuję się już od dłuższego czasu, są zagadnienia związane z informatyką, splątaniem, tzw. quantum computing, czyli obliczenia kwantowe. Jest to dziedzina na pograniczu fizyki i matematyki.

I.B.: W dzisiejszych czasach informatyka kwantowa jest gorącym tematem nowoczesnej fizyki na świecie, prawda?  

A.S.: Tak, zgadza się. Kwantowe obliczenia, konstrukcja kwantowego komputera rzeczywiście należą do gorących tematów. W ostatnich doniesieniach dowiadujemy się, że 54 kubitowy, kwantowy komputer Google’a wykazał swoją przewagę nad tradycyjnymi komputerami. Dokonano kwantowej supremacji, tzn. przedstawiono algorytm, który rozwiązuje dziesiątki razy szybciej problem niż standardowy komputer.

I.B.: Jakie są podstawowe różnice pomiędzy klasycznym komputerem a kwantowym komputerem?

A.S.: W klasycznych komputerach dane są zapisywane w systemie binarnym czyli poprzez sekwencje bitów, z których każdy znajduje się w jednym z dwóch stanów: 0 lub 1. Grupy takich bitów są przesyłane między różnymi podzespołami jednego komputera lub też między różnymi komputerami w sieci. Co istotne, komputer klasyczny wykonuje operacje w określonej kolejności, jedna po drugiej, i nie jest w stanie wykonywać kilku czynności jednocześnie. Dlatego im bardziej złożone jest zadanie, tym dłużej trwa szukanie rozwiązań, a do rozwiązania wielu ze współczesnych problemów moc obliczeniowa klasycznych komputerów jest niewystarczająca.

W przyszłości, kwantowe komputery pozwolą rozwiązywać skomplikowane problemy z wielu dziedzin nauki i przemysłu dużo szybciej i efektywniej niż najlepsze komputery klasyczne. W ciągu kilku sekund potrafią one wykonać obliczenia, które komputerowi klasycznemu mogą zająć nawet kilka lat.

I.B.: Proszę powiedzieć, na czym polega  fizyka kwantowa, w kilku słowach?

A.S.: Najprościej będzie, jak podam przykład. Na podstawie fizyki kwantowej mogłaby pani jednocześnie być tutaj w pokoju i tam, po drugiej stronie za drzwiami. I dopóki nie dokonalibyśmy  pomiaru, to nie wiedzielibyśmy, gdzie pani jest. To jest paradoks. Czy słyszała pani o kocie Schrödingera?

I.B.: Tak słyszałam, ale proszę przypomnieć.

A.S.: Jest to jeden z najbardziej znanych eksperymentów myślowych. Chodzi bowiem o to, że kot Schrödingera jest jednocześnie żywy i martwy. I dopiero jeżeli dokonamy pomiaru, to możemy stwierdzić, w jakim on tak naprawdę stanie znajduje się. To jest wpisane w teorię fizyki kwantowej, która jest fizyką niedeterministyczną, tak jak kiedyś w przypadku mechaniki klasycznej. Jeśli podalibyśmy położenia wszystkich cząstek i ich pędy, prędkości w całym Wszechświecie, to znając prawa fizyki newtonowskiej jesteśmy w stanie przewidzieć zachowanie się całego Wszechświata w dowolnym momencie w przyszłości.

I.B.: Naukowcy z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN zdobywają wiele nagród za osiągnięcie naukowe, kogo może Pana wymienić?   

A.S.: To prawda, w społeczności naukowej wybitne osiągnięcia są nagradzane. Chciałbym w tym miejscu wspomnieć o: profesorze Macieju Lewensteinie, profesorze  Iwo Białynickim – Biruli, profesorze Kazimierzu Rzążewskim oraz profesorze Krzysztofie Pachuckim. 

Prof. Maciej Lewenstein, fizyk teoretyk, obecnie pracujący w Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO) w Castelldefels i Institucio Catalana de Recerca i Estudis Avanats w Barcelonie, otrzymał  Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (FNP) w 2011 roku, w obszarze nauk matematyczno-fizycznych i inżynierskich. Został nagrodzony za „dokonania w obszarze optyki kwantowej i fizyki ultrazimnych gazów”.

Prof. Iwo Białynicki – Birula z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN otrzymał Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w 2014 r., w obszarze nauk matematyczno-fizycznych i inżynierskich za fundamentalne prace dotyczące pola elektromagnetycznego, które doprowadziły do sformułowania zasady nieoznaczoności dla fotonu. 

Prof. Kazimierz Rzążewski został laureatem nagrody Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w 2015 r.

Prof. Krzysztof Pachucki otrzymał polskiego Nobla za „precyzyjne obliczenia elektrodynamiczno-kwantowe parametrów spektroskopowych lekkich atomów i cząsteczek” w 2018 r.

I.B.: Ważnym elementem działalności Centrum jest także edukacja, proszę powiedzieć, co dzieje się w tym obszarze?

A.S.: Centrum Fizyki Teoretycznej PAN odgrywa ważną rolę w popularyzacji nauki. Pracownicy CFT PAN  są inicjatorami imprez popularno-naukowych w kraju. Na przykład, prof. Ł. A. Turski jest pomysłodawcą Pikniku Naukowego Radia BIS, organizowanego corocznie od 1997 roku. Profesor Ł. A. Turski jest także pomysłodawcą budowy i przewodniczącym Rady Programowej Centrum Naukowego „Kopernik” – pierwszego polskiego eksploratorium badawczego. Centrum Fizyki Teoretycznej jest też polskim partnerem międzynarodowego programu Hands on Universe („Wszechświat – własnymi rękami”), skierowanego do nauczycieli i uczniów szkól średnich.

Warto także wspomnieć, iż prof. Lech Mankiewicz jest inicjatorem i twórcą polskiej wersji portalu Khan Academy, na którym można znaleźć ogromną ilość materiałów dydaktycznych z matematyki i fizyki – jest to bezcenna  pomoc dydaktyczna w nauczaniu na różnych poziomach: od szkoły podstawowej do uniwersytetu.

I.B.: Jak przebiega Pana kariera naukowa? Jak to się stało, że tak szybko osiągnął Pan sukces naukowy?  

A.S.: Studiując na Uniwersytecie Warszawskim, wyjechałem na trzymiesięczny staż do Instytut Nauki Weizmanna, gdzie poznałem znakomitego profesora matematyki – wybitny autorytet w dziedzinie grafów. I to on wprowadził mnie w tematykę grafów, stąd wzięło się moje głębokie zainteresowanie grafami. Z perspektywy czasu dostrzegam, że jeśli młody naukowiec spotka na swojej drodze mentora, to jest to bardzo ważny moment w jego życiu, ponieważ mentor może nie tylko pokierować działaniami początkującego naukowca, ale także może go wypromować.

Kolejnym krokiem w mojej karierze naukowej był doktorat, który zrobiłem u prof. Marka Kusia. Prof. Marek Kuś jest naukowy ojcem zarówno moim, jak dr hab. Michała Oszmańca,  ponieważ to właśnie u profesora obaj obroniliśmy prace doktorskie z fizyki teoretycznej, dotyczące problemów w splątaniu kwantowym. Pamiętam, że głównym aspektem, który zadecydował o moim wyborze promotora, był fakt, że prof. Marek Kuś używa wyrafinowanych narzędzi matematycznych do rozwiązywania problemów w fizyce. Następnym krokiem w mojej karierze naukowej był doktorat na uniwersytecie w Bristolu. W latach 2013-15 dzięki stypendium Marie Curie-Skłodowskiej wyjechałem do Massachusetts Institute of Technology, Cambridge (USA), gdzie mocno zainteresowałem się tematyką obliczeń kwantowych. Kiedy wróciłem do Polski, w 2016 roku, zdobyłem grant pt. Optymalność, uniwersalność i sterowalność w teorii obliczeń kwantowych. Tematyka mojego projektu jest bardzo zbliżona do grantu TEAM-NET, aktualnie realizowanego w CFT PAN. 

I.B.: Dziękuję za rozmowę i życzę dalszych sukcesów.

Profesor Adam Sawicki

ACADEMIC DEGREES

19.10.2016 – Habilitation in Theoretical Physics, Nicolas Copernicus University, Torun, Poland. Dissertations: The momentum map and quantum corellations.

23.09.2014 – PhD in Mathematics, University of Bristol, UK. Dissertations: Topology of graph configuration spaces and quantum statistics. Faculty of Science Commendation.

14.11.2011 – PhD in Theoretical Physics, University of Warsaw, Warsaw, Poland. Dissertaitions: Symplectic Geometry of Entanglement.

26.02.2010 – MSc in Theoretical Physics, University of Warsaw, Warsaw, Poland. Dissertations:Classical nonintegrability of a quantum chaotic SU(3) Hamiltonian system.

CURRENT POSITION

01.2019 –… Deputy of the Director for Scientific and General)

10.2016 – … Associate Professor of Mathematical Physics, Center for Theoretical Physics, Polish Academy of Sciences

PREVIOUS POSITIONS

10.2015-10.2016 – Marie Curie Research Fellow, School of Mathematics, University of Bristol, UK.
10.2013-10.2015 – Marie Curie Research Fellow, Centre for Theoretical Physics, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA.
10.2010-10.2013 – PhD student, School of Mathematics, University of Bristol, UK. 03.2010-10.2010 – Assistant, Centre for Theoretical Physics, Polish Academy of Sciences, Poland. 03.2008-03.2010 – Trainee Researcher, Centre for Theoretical Physics, Polish Academy of Sciences, Poland.

FELLOWSHIPS and SCHOLARSHIPS

10.2013-10.2016 – Marie Curie International Outgoing Fellowship, two years in The Centre for Theoretical Physics, Massachusetts Institute of Technology, USA and one year in School of Mathematics, University of Bristol, UK.

10.2010-10.2013 – The University of Bristol Postgraduate Research Scholarship, School of Mathematics, University of Bristol, UK.

AWARDS

1. The Minister of Science Scholarship for Outstanding Young Scientists, 2016, The Ministry of Science and Higher  Education, Poland
   2. ‘Stypendium Start’, 2015, Foundation for Polish Science
   3. ‘Stypendium Start’, 2014, Foundation for Polish Science
   4. School of Mathematics Excellence Award, 2010-2013, University of Bristol, UK

FINISHED GRANTS

10.2013-10.2016 Complex Topology, Ayons and Entanglement. Funding source: Marie Curie International Outgoing Fellowship ERC, 285 000 Euros. I was the  Main Investigator in this project.

06.2012-06.2014 Geometry and Topology of Quantum Correlations. Funding source: The Ministry of Science, Poland  45 000 Euros. I was the Principal Investigator in this project.

03.2011-05.2013 Quantum Statistics on graphs. Funding source: The Ministry of Science, Poland 15 000 Euros. I was the Principal Investigator in this project.

ON-GOING GRANTS

06.2016 -06.2021 Optimality, Universality and Controllability in the Theory of Quantum Computing. Funding source: National Science Center, Poland 200 000 Euros. I am the Principal Investigator in this project.

MY GRADUATE and UNDERGRADUATE STUDENTS

10.2018-now – Mr Lorenzo Mattioli, current PhD student in mathematical physics workingin quantum computing.

10.2015-10.2018 – Dr Tomasz Maciazek, my former PhD student in mathematical physics at the Center of Theoretical Physics, Polish Academy of Sciences. Thesis: “Topology of configuration spaces for particles on grpahs” – successfully defended 10.2018

09.2016-10.218– Dr Katarzyna Karnas, my former PhD student in mathematical physics at the Center of Theoretical Physics, Polish Academy of Sciences. Thesis: “Universality in quantum computation” – successfully defended 10.2018

09.2012-10.2015 – Mr Tomasz Maciazek, my former MSc student in mathematical physics at the Center of Theoretical Physics, Polish Academy of Sciences.

10.2017-09.2018 – Mr Oskar Słowik, my former BSc student in in mathematical physics at the Center of Theoretical Physics, Polish Academy of Sciences. BSc thesis: “Asymptotic equivalence of multipartite quantum states under SLOCC operations” – successfully defended 09.2018

10.2106-10.2017 – Mr Maciej Ogrodnik, my former BSc student in in mathematical physics at the Center of Theoretical Physics, Polish Academy of Sciences. BSc thesis: “Quantum statistics and geometric quantization” – successfully defended 10.2017

TEACHING ACTIVITIES

2010-2012 Tutorials in Calculus, Linear Algebra and Geometry, Mathematics for Economics and Biology students, School of Mathematics, University of Bristol, UK.

ORGANISATION OF SCIENTIFIC MEETINGS 05.2015 From Geometry and Chaos to Quantum Information and Neurobiology, Warsaw, Poland. A member of the organising committee

COMMISSIONS OF TRUST

10.2016-12.2016 Expert in the Mathematical Physics panel for Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowships H2020-MSCA-IF-2016.

2010-2016 Reviewer in Communications in Mathematical Physics, Quantum, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, Journal of Mathematical Physics, Reports on Mathematical Physics, The European Physical Journal D, International Journal of Quantum Information, Quantum Information Processing.

MEMBERSHIPS OF SCIENTIFIC SOCIETIES

2012-2016 Research Network: AGA: Analysis on Graphs, Engineering & Physical Sciences Research Council (EPSRC), United Kingdom, 2012-2016

2010-2013 Junior Member of the Isaac Newton Institute for Mathematical Science, Cambridge, UK