Kwantowy procesor

Prof. Rainer Blatt - Wykłady otwarte o kwantowych procesorach, komputerach i informatyce
Kwantowy procesor, komputer – marzenia czy rzeczywistość? To pytanie w życiu prof. Rainera Blatta znajduje
odpowiedź w postaci eksperymentalnych faktów, dowodzących jak odwaga myślenia i działania urzeczywistnia
śmiały impuls idei, naukowej koncepcji. Na naszych oczach na arenę interdyscyplinarnych zmagań ludzkich
talentów wkracza inżynieria i informatyka kwantowa z jej intelektualnym i praktycznym potencjałem. Będzie
można o tym usłyszeć w cyklu wykładów, które przy wsparciu programu „Akademicki Poznań” wygłosi na
naszej uczelni, w dniach 26-28.05.2010, gość Politechniki Poznańskiej prof. Rainer Blatt z Universytetu w
Innsbrucku.
Sylwetka Profesora Rainera Blatta
Profesora Rainera Blatta z Universytetu w Innsbrucku należy uznać za światowego pioniera eksperymentalnej
informatyki kwantowej, a w Europie najwybitniejszego przedstawiciela tej dziedziny, uprawianej dzisiaj w
wiodących ośrodkach naukowych na świecie. Stanowi ona podstawę ujawniającej się poważnej rewolucji
technologicznej, już przybierającej formy komercyjne, np. bezpiecznej telekomunikacji kwantowej. Prof. R.
Blatt jest twórcą wiodącej szkoły eksperymentalnej informatyki kwantowej, realizowanej metodami optyki
kwantowej i inżynierii kwantowej stanów uwięzionych jonów. W prezentacji naukowej sylwetki warto
wspomnieć, że prof. Blatt jest naukowym sukcesorem w pierwszej linii laureata Nagrody Nobla prof.
Wolfganga Paula, doktora honoris causa naszej Uczelni.
Grupy Prof. Blatta w Innsbrucku (http://heart-c704.uibk.ac.at/, http://iqoqi.at/home&lang=2) od lat prowadzą
pionierskie badania w tej dziedzinie i nieprzerwanie od 1993 mogą poszczycić się wieloma osiągnięciami. Do
najbardziej spektakularnych sukcesów zaliczyć należy m.in. eksperymentalną demonstrację kwantowej
teleportacji na atomach, konstrukcję procesora kwantowego o największym dotychczas rozmiarze czy wreszcie
przeprowadzenie na procesorze kwantowym udanej symulacji relatywistycznego efektu czy realizację
kwantowego algorytmu Deutscha-Jozsy. Wspomnieć również należy o opracowanym w zespole prof. Blatta
źródle pojedynczych fotonów, niezbędnych w kryptografii kwantowej i pracach nad pamięciami kwantowymi.
Nie można też pominąć sukcesów ekstremalnej metrologii wzmacnianej kwantowym splątaniem. Pełen obraz
dokonań przedstawiają publikacje w czasopismach o najwyższej randze światowej czy rozprawy uczniów prof.
Blatta a obecnie profesorów w najlepszych światowych ośrodkach.
O randze gościa Politechniki Poznańskiej i Miasta Poznania świadczą pełnione przez niego funkcje zawodowe i
honorowe, prof. Blatt jest afiliowany jako:
 członek rzeczywisty Austriackiej Akademii Nauk,
 dyrektor Instytutu Optyki Kwantowej i Informatyki Kwantowej (IQOQI) Austriackiej Akademii Nauk
(Innsbruck),
 dyrektor Instytutu Fizyki Eksperymentalnej Uniwersytetu w Innsbrucku,
 dyrektor generalny Institut für Quanteninformation G.m.b.H (Innsbruck),
 członek zarządu Międzynarodowego Komitetu Elektroniki Kwantowej,
 członek stały Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego, fizyk-rzeczoznawca Brytyjskiego Towarzystwa
Fizycznego,
 członek i przewodniczący Kapituły Nagrody im. Schawlowa Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego,
 członek zarządu Oddziału Elektroniki i Optyki Kwantowej Europejskiego Towarzystwa Fizycznego,
 członek rady wydawniczej czasopisma naukowego: „Quantum Information Processing”,
 redaktor współpracujący czasopisma naukowego: „Quantum Information and Computation”,
 członek rady wydawniczej czasopisma naukowego: „Journal of Physics. B: Quantum and Semiclassical
Optics”.
Profesor Blatt jest również laureatem wielu prestiżowych nagród naukowych.
Szkic o inżynierii kwantowej
Dynamiczny rozwój wyrafinowanych metod i technik eksperymentalnych fizyki kwantowej
(http://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_quantum_computing, http://www.quantiki.org/), nieprzerwany od
dwóch dziesięcioleci, a uhonorowany licznymi nagrodami Nobla, jej nowe strategiczne i powszechne
zastosowania, uprawomocniły wyodrębnienie nowej dziedziny określanej mianem inżynierii kwantowej.
Technologie kwantowe stanowią strategiczny obszar zainteresowania rządowych ośrodków normujących i
certyfikujących (NIST, NPL, BIPM, PTB, NMI, NMIJ, AIST ), znanych koncernów globalnych (HP, IBM,
Toshiba, Microsoft, Philips, Simens, GE) oraz nowopowstałych firm (IdQuantique, MagiQ Technologies,
SmartQuantum, Quintessence Labs, D-WAVE, PicoQuant) krajów o zaawansowanych technologiach. Wiodące
uczelnie eksponują zagadnienia inżynierii kwantowej w programie badań i kursów. Poczesne miejsc zajmuje na
tej mapie Austria z jednostkami skupionymi wokół instytucji IQOQI oraz CoQuS. Ostatnio tematyka kwantowa
wyznacza osie działań polskich instytucji: KL FAMO i COK w Toruniu, KCIK w Gdańsku czy
międzyuczelnianego konsorcjum NLTK.
Inżynieria kwantowa nie stanowi prostej ekstrakcji i syntezy rozproszonej, acz dobrze ugruntowanej (choć nie
zawsze oczywistej), obecności fizyki kwantowej w niemal wszystkich działach współczesnej inżynierii
(elektroniki i informatyki, telekomunikacji i nawigacji, metrologii i sensoryki, mikroi nano-elektro-mechaniki, inżynierii materiałowej i bioinżynierii oraz innych. Przeciwnie – dziedzina ta
wypracowała własną, nowatorską metodologię i narzędzia, pomimo immanentnie interdyscyplinarnego
charakteru [1].
Kwintesencją i spoiwem inżynierii kwantowej, w jej aktualnym autonomicznym ujęciu, jest fundamentalne
pojęcie kubitu (bitu kwantowego). Nieintuicyjne właściwości kubitów zapewnia koherentna superpozycja i
efekt splątania kwantowego ich stanów. Pozwalają one, wraz z deterministyczną kontrolą oddziaływań
fizycznych o kwantowej naturze, łączyć kubity w układy – obwody kwantowe o różnym przeznaczeniu,
realizujących określone procesy użytkowe.
Dojrzałe technologie kwantowe w sposób jawny występują na rynku. Z pojęciem kubitu wiąże się
spektakularne wdrożenie inżynierii kwantowej: urządzenia i system kryptografii kwantowej, dające nie tylko
obliczeniową ale i w pełni fizyczną odporność na ataki. Obecnie rozwiązanie to cechuje szereg technicznych
ograniczeń, jednak szybki postęp je usuwa; doniesiono o zbudowanych w Austrii, Szwajcarii, Stanach
Zjednoczonych i Chinach pierwszych sieciach kwantowej dystrybucji klucza. Ta ostatnia posiada hierarchiczną
topologię, czyli stanowi zalążek bezpiecznego Internetu. Kodowanie informacji w takich systemach odbywa się
poprzez zmianę stanów pojedynczych fotonów. Technika sterowania stanami kwantowymi wyizolowanych
obiektów: fotonów, jonów, atomów, fluksonów przynosi zarazem obiecujące rezultaty w pracach nad
kwantowymi sensorami, standardami i technikami metrologicznymi, procesorami i pamięciami kwantowymi
nowej generacji. Powyższe stwierdzenia upoważniają do przewidywania znacznego zapotrzebowanie na
specjalistów inżynierii kwantowej. Wprowadzenie pojęcia kubitu, bramek i obwodów kwantowych zmieniło nie
tylko paradygmaty prac BR ale ustrukturyzowało mechanikę kwantową w algorytmicznej formie, atrakcyjnej
dla inżynierów różnych specjalności. Sytuacja ta nosi znamiona ewolucji: od elektroniki analogowej do
cyfrowej, od mechaniki do mechatroniki. Analogicznie jak w informatyce czy elektronice można oddzielić tu
warstwę sprzętową i programową (kwantowy „hardware” i „software”). We wspomnianych dyscyplinach
warstwa sprzętowa jest raczej jednoznacznie ustalona – obecnie dominują rozwiązania półprzewodnikowe, nie
należy jednak zapominać, że z jednej strony wciąż użytkowane są specjalistyczne lampy elektronowe,
a z drugiej strony na arenę wkraczają rozwiązania optoelektroniczne czy wręcz optyczne (światłowody).
Preferowana, jak to ma miejsce w elektronice, generalna fizyczna implementacja warstwy sprzętowej inżynierii
kwantowej nie jest jednoznacznie wyróżniona, przypomina to raczej sytuację w mechatronice. Decyzja o
wyborze nośnika kwantowej informacji (kubitu) – spośród atomów, jonów, molekuł, fotonów, fononów, spinów
elektronów lub jąder atomowych, fluksonów – zależy od rodzaju zagadnienia. Logika sterowania ich stanami i
wykonania określanych algorytmów wykorzystuje ogólnie rozumiany rezonans kwantowy – tzw. oscylacje
Rabiego i związane z nim echo „spinowe”. Taki rezonans w spinowej wersji, inicjowanej impulsami radiowymi
czy mikrofalowymi jest podstawą działania magnetycznego tomografu rezonansowego.
Pomimo ewidentnych różnic poszczególnych kwantowych wdrożeń obejmują one zbiór funkcjonalnie
tożsamych elementów i procesów kwantowych, tj.: rejestry, bramki unarne i binarne, trzykubitową bramkę
Toffoliego, procedurę deterministycznej inicjalizacji i selektywnego odczytu stanu pojedynczego rejestru,
procedurę tomografii stanów i procesów kwantowych, protokół teleportacji stanów kwantowych, protokół
przygotowania podprzestrzeni stanów wolnych od dekoherencji i kwantowej korekty błędów.
Wszystkie elementarne składniki inżynierii kwantowej znalazły praktyczną realizację w kierowanych przez
profesora Reinera Blatta zespołach badawczych.
Uniwersytet w Innsbrucku już u początków kwantowoinformatycznego ujęcia mechaniki kwantowej stanowił
źródło pionierskich idei, w tym zaproponowanej przez Ciraca i Zollera pierwszej implementacji procesora
kwantowego opartego o jony uwięzione w liniowej pułapce i schłodzone laserowo [2,3]. Wyzwanie
eksperymentalnej realizacji tej idei podjęto właśnie w grupie prof. Blatta (http://heart-c704.uibk.ac.at/), czemu
sprzyjało mistrzowskie opanowanie w tym zespole techniki pułapkowania i laserowego chłodzenia łańcucha
pojedynczych jonów [4]. Nieprzerwanie aż do chwili obecnej zespół przekracza techniczne bariery, a kolejne
rekordy odnotowuje w prestiżowych czasopismach. Przykładowo w roku 2009 to tu zademonstrowano
uniwersalną bramkę Toffoliego [5], w roku 2008 deterministyczną wymianę kwantowego splątania [6],
operację porównywalną z wcześniej opanowaną teleportacją stanów kwantowych [7]. Obecnie grupa rozwija
techniki miniaturowych pułapek wykonanych w technologii MEMS (mikro-elektro-mechanicznej),
wykorzystywanej chociażby w sensorach zmiany położenia, orientacji oraz dynamiki tych zmian,
instalowanych w telefonach komórkowych, ale także w awionice czy urządzeniach mechatronicznych. Sukcesy
naukowe niewątpliwie wspiera doskonałe wyposażenie aparaturowe.
Specyfiką obu zespołów kierowanych przez prof. Blatta jest łączenie działań kwantowo-informatycznych
z metrologicznym zastosowaniami optyki kwantowej – optycznymi wzorcami czasu i częstości wspomaganymi
kwantowym splątaniem [8,9]. Ostatnio zaproponowano zastosowanie pułapek jonów w regeneratorach
kwantowych niezbędnych do budowy rozległych sieci kryptografii kwantowej.
W swoich badaniach zespoły utrzymują szerokie kontakty naukowe z grupami ze Stanów Zjednoczonych,
Wielkiej Brytanii, Niemiec, Hiszpanii, a liderzy wielu tych grup swój naukowy rodowód wywodzą z
Innsbrucku.
Literatura przedmiotu
1. ed. A. Lvovsky, Quantum Communication, Measurement and Computing (QCMC), The 9th International
Conference Calgary, Canada 2008, AIP Conference Proceedings 1110, American Institute of Physics,
New York, 2009
2. J.I. Cirac, P. Zoller, Quantum computation with cold traped ions, Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 4091
3. H. Häffner, C.F. Roos, R. Blatt, Quantum computing with trapped ions, Phys. Rep. 469 (2008) 155
4. D. Leibfried, R. Blatt, C. Monroe, D. Wineland, Quantum dynamics of single trapped ions,
Rev. Mod. Phys. 75 (2003) 281
5. T. Monz, K. Kim, W. Hänsel, M. Riebe, A.S. Villar, P. Schindler, M. Chwalla, M. Hennrich, R. Blatt,
Realization of the quantum Toffoli gate with trapped ions, Phys. Rev. Lett. 102 (2009) 040501
6. H. Häffner, W. Hänsel, C.F. Roos, J. Benhelm, D. Chek-al-kar, M. Chwalla, T. Körber, U.D. Rapol,
M. Riebe, P.O. Schmidt, C. Becher, O. Gühne, W. Dür, R. Blatt, Scalable multiparticle entanglement of
trapped ions, Nature 438 (2005) 643
7. M. Riebe, T. Monz, A.S. Villar, P. Schindler, M. Chwalla, M. Hennrich, R. Blatt, Deterministic
entanglement swapping with an ion trap quantum computer, Nature Physics 4 (2008) 839
8. M. Riebe, H. Häffner, C.F. Roos, W. Hänsel, J. Benhelm, G.P.T. Lancaster, T.W. Körber, C. Becher,
F. Schmidt-Kaler, D.F.V. James, R. Blatt, Deterministic quantum teleportation with atoms,
Nature 429 (2004) 734
9. M. Chwalla, J. Benhelm, K. Kim, G. Kirchmair, T. Monz, M. Riebe, P. Schindler, A. S. Villar, W. Hänsel,
C. F. Roos, R. Blatt, M. Abgrall, G. Santarelli, G. D. Rovera, Ph. Laurent, Absolute frequency
measurement of the 40Ca+ 4s2S1/2 - 3d2D5/2 clock transition, Phys. Rev. Lett. 102 (2009) 023002
10. G. Kirchmair, J. Benhelm, F. Zähringer, R. Gerritsma, C.F. Roos, R. Blatt, High-fidelity entanglement of
ions of 43Ca+ hyperfine clock states, Phys. Rev. A79 (2009) 020304
11. J.R. Maze, P.L. Stanwix, J.S. Hodges, S. Hong, J.M. Taylor, P. Cappellaro, L. Jiang, M.V. Gurudev Dutt,
E. Togan, A.S. Zibrov, A. Yacoby, R.L. Walsworth, M.D. Lukin, Nanoscale magnetic sensing with an
individual electronic spin in diamond, Nature 455 (2008) 644
12. P. Neumann, N. Mizuochi, F. Rempp, P. Hammer, H. Watanabe, S. Yamasaki, V. Jacques, T. Gaebel,
F. Jelezko, J. Wrachtrup, Multiparticle entanglement Among Single Spins In Diamonds, Science 320
(2008) 1326