Most, który stoi na kubitach

Na Wydziale Fizyki umiejętnie łączymy teorię z praktyką. Nasi studenci, po opanowaniu niezbędnych podstaw teoretycznych, mają okazję testować wiedzę podczas zajęć laboratoryjnych i warsztatów, czemu sprzyja nowy program studiów. Empiryczne doświadczanie nauki jest kluczem do znajdowania rozwiązań przydatnych także w świecie pozaakademickim. Potencjalnie kopalnią takich patentów są technologie kwantowe.

Mała skrzynia — wielka moc

Kwanty to jeden z głównych obszarów zainteresowań naszych badaczy, ale również studentów. Dydaktykę z tego obszaru wspiera nowo powstałe stanowisko do pracy z kubitami — podstawowymi jednostkami informacji kwantowej. Zaawansowany sprzęt pojawił się dzięki partnerstwu z firmą SONOVERO R&D, pomysłodawcą AIQLAB, hołdownikiem idei łączenia nauki i przemysłu.

— Stanowisko testowe jest zbudowane ze sprzętowego emulatora pojedynczego kubitu, a pojedyncze kubity można łączyć ze sobą, ponieważ każdy emulator komunikuje się poprzez protokół sieciowy. Układy testowe są zbudowane z masywnie równoległych programowalnych elektronicznych modułów FPGA, a odpowiednio zaprojektowane rozwiązania pozwalają na pracę w warunkach zbliżonych do rzeczywistych kubitów kwantowych. Każda taka jednostka posiada również wyświetlacz, na którym jest wizualizowany aktualny stan kwantowy układu na sferze Blocha — mówi dr inż. Piotr Sobotka

Jednym z zastosowań układów kwantowych dającym się zaprezentować jest metoda uczenia maszynowego wykorzystująca pojedynczy kubit, tzw. reupload classifier. Można ją użyć do klasyfikowania danych. Układ QUBIT daje opcję klasyfikowania pisanych odręcznie cyfr 0 i 1 za pomocą pojedynczego kubitu.

— Oprogramowanie sterujące pozwala na rysowanie cyfr, zmniejszanie rozmiaru obrazka oraz redukowanie go za pomocą metody PCA, aby uzyskać trzy liczby, które można zakodować w jednym kubicie. Efektem jest uruchomienie wcześniej wytrenowanego obwodu kwantowego — dokonując pomiaru można określić prawdopodobieństwo, że na obrazku była cyfra 0 lub 1 — mówi dr Sobotka. — Posiadanie dwóch kubitów w ramach stacji roboczej pozwala również przeprowadzić prezentację algorytmu kwantowej dystrybucji klucza, jakim jest BB84. W aplikacji wybieramy, czy jesteśmy nadawcą czy odbiorcą klucza, ustawiamy liczbę kubitów, które wykorzystujemy do przesłania klucza, a klikając przycisk otrzymujemy dwie pary losowych bitów oraz odpowiadające im stany, które je kodują. Następnie ustawiamy te dwa stany na dwóch kubitach w naszej stacji roboczej. Odbiorca podaje liczbę otrzymanych kubitów. Następnie losowo wybiera dwie bazy spośród baz Z i X i dokonuje pomiarów na odpowiednich kubitach — wyjaśnia nasz fizyk.

Obecnie możliwe jest podłączenie do ośmiu takich emulatorów w ramach jednej podsieci Ethernet. Liczba ta jednak może być w prosty sposób zwiększona.

Jak mówi dr inż. Jacek Długopolski z AGH, autor konceptu, na którym zbudowany jest QUBIT, łączenie emulowanych kubitów ze sobą powala na tworzenie bardziej rozbudowanych obwodów kwantowych i praktyczne badanie rozkładu prawdopodobieństwa ich możliwych stanów. — Tak jak kubity rzeczywiste, tak i te emulowane tutaj mogą być zakłócane konkretnymi szumami zewnętrznymi oraz spontanicznymi szumami wewnętrznymi, a impulsy sterujące operacjami na kubicie są podatne na wszelkie zakłócenia elektromagnetyczne. Dodatkowo, każdy emulator kubitu posiada tryb, w którym kubit może utrzymywać swój stan kwantowy tylko przez określony przez użytkownika czas koherencji. Po jego przekroczeniu kubit traci swój stan kwantowy i ulega automatycznemu pomiarowi. Wszystko to sprawia, że emulowane kubity pozwalają na zapoznanie się z istotnymi problemami spotykanymi w rzeczywistych komputerach kwantowych — opowiada badacz.

— Przy pomocy QUBIT-a studenci mogą projektować bramki kwantowe oraz bardziej rozbudowane rozwiązania skonstruowane na jednym lub kilku emulatorach. Dzięki możliwości łączenia kubitów ze sobą, można projektować eksperymenty realizowane na kilku kubitach — dodaje dr Sobotka.

Stopnie wtajemniczenia 

Z możliwości, jakie daje ta infrastruktura, skorzystał już między innymi Aleksander Mazur, nasz magistrant, a także Konrad Łącki, który jest na etapie pisania pracy inżynierskiej. Opiekunem naukowym obydwu jest dr inż. Piotr Sobotka, zaangażowany w program szkoleń kwantowych. 

Aleksander Mazur i Konrad Łącki kwantowe szlify zdobywali między innymi przy stanowisku kubitowym widocznym na zdjęciu. Na miniaturze w prawym dolnym rogu widać sferę Blocha, która umożliwia wizualizowanie bitu kwantowego. 

— Fascynacja kwantami zaczęła się od teorii, ale postanowiłem wgryźć się w temat głębiej — mówi Aleksander. — Moja praca dyplomowa jest poświęcona sterowaniu laserami w pułapce jonowej, czyli jednej z możliwych infrastruktur komputera kwantowego. Żeby przystąpić do pierwszych eksperymentów, musiałem najpierw dużo się nauczyć, od strony technicznej to naprawdę zaawansowana rzecz, łączy wiele różnych działów fizyki — podkreśla nasz student.

Kontrolą laserów w swojej pracy inżynierskiej zajął się Konrad Łącki. — Od kilku lat interesuję się tematyką kwantową, ciekawiła mnie jej praktyczna strona. Sto lat temu sama myśl o tym, że możemy pracować z pojedynczymi atomami, była nie do wyobrażenia. Później padły pierwsze pomysły, żeby używać jonów jako kubitów. A teraz realizujemy to, co niedawno wydawałoby się nie do zrealizowana. Jestem pewien, że nawet jeśli badania pójdą w inną stronę, niż wszyscy się spodziewają, po drodze zostaną dokonane niesamowite odkrycia, z których skorzystamy wszyscy — podsumowuje Konrad. 

Fizyką kwantową zajmują się również studenci Koła Naukowego CAMAC, którzy podczas tegorocznych Drzwi Otwartych Politechniki Warszawskiej prezentowali infrastrukturę kubitową kandydatom na studia na Wydziale Fizyki PW.

Integralną częścią systemu oferowanego przez AIQLAB jest zestaw szkoleniowy do kontroli i regulacji układów optycznych stosowanych w pułapce jonowej, fot. AIQLAB 

Kwantowa ścieżka od edukacji do innowacji 

— Nasz sprzęt nie ma być pomnikiem do podziwiania. To ma być most, który prowadzi od teorii, przez testy, aż do wymyślenia zastosowań. Tradycyjne nauczanie technologii kwantowych często opiera się na symulatorach komputerowych. Choć są bardzo przydatne, nie oddają w pełni realiów pracy z prawdziwymi urządzeniami kwantowymi, pomijają na przykład fizyczną infrastrukturę tych systemów — wyjaśnia Marcin Sadowski, prezes SONOVERO R&D i inicjator AIQLAB. Jak podkreśla, wprowadzenie do dydaktyki rzeczywistych układów kwantowych daje studentom coś więcej. — To możliwość bezpośredniego kontaktu z nowoczesną technologią, praktyczne doświadczenie w programowaniu komputerów kwantowych, lepsze zrozumienie łączności kwantowej, a przy okazji szansa na odkrycie, jak sztuczna inteligencja może wspierać rozwój technologii kwantowych.

— Wykorzystanie tego typu układów w dydaktyce i na uczelniach jest idealnym wypełnieniem luki w kształceniu i pozwala na praktyczną weryfikację teorii w praktyce – szczególnie teraz, kiedy w Polsce i Europie zaczynają pojawiać się fizyczne instalacje pierwszych komputerów kwantowych. Takie podejście nie tylko wzbogaca naukę, ale też sprawia, że zajęcia stają się ciekawsze, bardziej inspirujące i bliższe realnym zastosowaniom współczesnej nauki. Od edukacji chcemy dojść do innowacji — podsumowuje Marcin Sadowski.