Trzeba się załapać na rewolucję kwantową 2.0

Kluczem do przyszłości jest uczestniczenie w rewolucjach technologicznych, a nie przesypianie ich. W rewolucji przemysłowej nie uczestniczyliśmy, bo zabory, w krzemowej – bo komunizm. Teraz jednak, gdy jesteśmy już wolnym państwem, kolejna rewolucja może odjechać nam sprzed nosa. Rewolucja kwantowa 2.0. Dziś polskie jednostki badawcze jednoczą się w wołaniu o długofalowy program inwestycyjny dający im szansę na uczestnictwo w wyścigu po tę przyszłość dla Polski.

Są takie technologie, które przewracają świat i staje on na zupełnie innych nogach. Druk, maszyna tkacka, lampa naftowa, elektryczność, energia atomowa, krzemowy obwód scalony, PCR... Po każdym z tych wynalazków nic już nie było takie samo, a wygrał w wyścigu o światowe przywództwo ten, kto je wymyślał lub umiał genialnie skomercjalizować.

W grudniu 1900 roku Max Planck opublikował pierwszą pracę, w której pojawiło się pojęcie „kwant energii”. Wyraża ono myśl, że energia wbrew pozorom nie przypomina np. ciągłego strumienia wody, tylko niejako zbiór pojedynczych kropel. Energia przepływa w maleńkich porcjach – czyli wspomnianych kwantach.

Tak rozpoczęła się rewolucja kwantowa 1.0. W ciągu bez mała pół wieku geniusze pokroju Einsteina (zaproponował kwanty światła, zwane dziś fotonami), Bohra (stworzył kwantowy model atomu) i Schrödingera (na jego równaniu się to wszystko dalej oparło) oraz ich koledzy po fachu, uczniowie i następcy sprawili, że fizyka już nigdy nie była taka sama.

Mechanika Newtonowska, jakże doskonała w swej prostocie przewidywania, kiedy zderzą się te nieszczęsne dwa pociągi jadące z miast A i B, pędzące naprzeciw siebie po tym samym torze z prędkościami podanymi w zbiorze zadań do klasy 7, stała się jedynie niewielką częścią gigantycznego obrazu wszechświata.

Okazało się bowiem, że pewne jest tylko prawdopodobieństwo tego zderzenia, nie zaś ono samo. Zwłaszcza, jeśli mają się ze sobą zderzać cząstki elementarne, a nie pociągi, których ruch mechanika newtonowska przybliża niemal doskonale.

Stało się to dla większości z nas, nawet tych jakoś radzących sobie z owymi pociągami z podstawówki, bardzo trudne do pojęcia i jeszcze trudniejsze do policzenia.

Rewolucja kwantowa 1.0 była zatem udziałem niewielu. To jednak dzięki wykorzystaniu zjawisk mechaniki kwantowej w brutalnej codzienności wojny, USA wyprodukowały bomby atomowe, które zrzuciły na dwa japońskie miasta. I tak oto zostały wielkim zwycięzcą tak II wojny światowej, jak i powojennego ładu.

Potrzeba było do tego dwóch pilotów, dwóch bombowców, dwóch ładunków wybuchowych i 18 noblistów oraz kilkunastu dalszych profesorów fizyki i matematyki. Ten kilkuletni program badawczy kosztował USA znacznie więcej, niż wiele bombowców.

Teoria mechaniki kwantowej rozwijana była latami, a jednak nadal jest morderczo trudna do liczenia. Jeśli cząsteczka, której stan chcemy poznać, to pojedynczy elektron, to on ma dwa możliwe stany (zwane spinem), czyli 2 do potęgi 1.

Jeśli jednak owa cząsteczka ma 1000 elektronów, to ustalenie jej obrazu wymaga wyliczenia i ustalenia 2 do potęgi 1000 owych stanów. (To się naukowo określa: liczba stanów kwantowych układu kwantowego rośnie wykładniczo z ilością cząstek).

Nawet gdy nastała rewolucja krzemowa i na stołach laboratoryjnych uczonych, a potem i na naszych biurkach stanęły komputery, nadal np. konstruowanie kwantowych modeli cząsteczek nie było ani łatwe, ani szybkie.

Można doskonale znać prawa mechaniki kwantowej i nadal nie móc rozwiązać jej równań, bo potrzebnej do tego mocy obliczeniowej po prostu nie ma na świecie.

I dziś już wiadomo, że wg klasycznych rozwiązań – procesora opartego o krzem – większej owej mocy osiągnąć się nie da. Nie będzie szybszych i bardziej „upakowanych obwodami” procesorów. Aby było jasne – wynika to z własności elektronów, czyli de facto fizyki kwantowej.

Przeczytaj też: Chińczycy mają sposób liczenia 100 bilionów razy szybszy niż superkomputery

Rzecz nie jest wyłącznie teoretyczną sztuką dla sztuki. Cząsteczki, które próbujemy dokładnie zanalizować mogą być nowymi lekami lub materiałami o bardzo potrzebnych, a unikalnych właściwościach. Bez takich obliczeń także dalszy rozwój sztucznych inteligencji stoi pod znakiem zapytania.

Jak opowiedział mi dr hab. Adam Sawicki, profesor Centrum Fizyki Teoretycznej PAN i dyrektor tej jednostki badawczej, tu się okazało, że to, co jest największym przekleństwem (czyli owo kwantowe prawdopodobieństwo, że coś jest gdzieś, zamiast newtonowskiej pewności, że jest właśnie tam, gdzie dokładnie policzyliśmy z prostego wzoru) może być największym błogosławieństwem. Bo będzie stanowić podstawę technologii obliczeniowych miliony razy szybszych, niż rewolucja krzemowa była w stanie zaproponować.

W latach 80. XX wieku, kiedy nikt jeszcze nie myślał, że, jak ma to dziś miejsce, dobijemy do ściany z szybkością procesorów krzemowych, w USA pojawiła się myśl zaprzęgnięcia zjawisk kwantowych do liczenia. Powstała myśl, by zbudować komputer kwantowy. Coś, co najszybszy komputer na krzemie liczyłby 10 tys. lat, komputer kwantowy może teoretycznie zrobić w przeciągu minut.

Na pomysł wpadł jeden z 10 największych fizyków wszech czasów, noblista Richard Feynman. Zaproponował on, że skoro zamiast jednoznacznego znanego nam stanu obliczeń dokonują logiczne obwody elektryczne, gdzie stany są wyłącznie dwa: 1 lub 0 (prąd płynie lub nie płynie), niech dla nas liczą te wszystkie stany pośrednie – cała ta „chmura prawdopodobieństwa”, że ów elektron jest gdzieś.

Ta jednoczesna obecność w wielu różnych miejscach z różnymi prawdopodobieństwami nazywa się superpozycją stanów. Tak rozpoczęła się rewolucja kwantowa 2.0.

Jak wyjaśnia dalej profesor Sawicki, wyścig już trwa, jego liderem, przynajmniej jeśli chodzi o konstrukcje komputera kwantowego, są USA. Inne technologiczne wykorzystania mechaniki kwantowej: a to w telekomunikacji, a to w szyfrowaniu, a to w technologiach optycznych, bywają szybko rozwijane przez inne państwa, m.in. Chiny i Niemcy.

Wyścig już trwa

Nie da się jednak w nauce nic wyjąć, jeśli się regularnie i w sposób stabilny nie wkłada, nie inwestuje. Dlatego, jak można się dowiedzieć w rozmowach z sygnatariuszami podpisanego na początku lutego listu intencyjnego ośmiu polskich jednostek badawczych, zaangażowanych od lat w prace z zakresu mechaniki kwantowej i jej praktycznych zastosowań, konieczne jest jak najszybsze powołanie do życia stabilnego programu finansowania inwestycji w tej dziedzinie. Na polu autentycznie kluczowym dla naszej przyszłości i przyszłej suwerenności.

Przeczytaj także: Polski kandydat do Nobla z fizyki: To dobry moment, by inwestować w kryptografię kwantową

Jeśli chodzi o badania teoretyczne w tym zakresie, także badania nad specjalnymi językami programowania i kodowania oraz programami niezbędnymi dla komputerów kwantowych, Polacy są wśród liderów.

„Stawką tego wyścigu jest zdobycie przewagi i odniesienie jak największych korzyści społeczno-ekonomicznych” – twierdzą sygnatariusze porozumienia.

Przykłady takich programów istnieją: w listopadzie 2018 r. Unia Europejska zainicjowała 10-letni Quantum Technologies Flagship, z ponadmiliardowym budżetem, dla zapewnienia Europie roli lidera w technologiach kwantowych.

Nieco później Kongres Stanów Zjednoczonych przyjął National Quantum Initiative Act. Prace dotyczące technologii kwantowych nadzorowane są na poziomie federalnym. Zajmuje się tym Narodowe Biuro Koordynacji Białego Domu.

W lipcu 2020 ro. niemiecka minister badań zapowiedziała przeznaczenie 2 mld euro z niemieckiego Funduszu Wsparcia po pandemii na badania prowadzące do stworzenia eksperymentalnego komputera kwantowego.

W styczniu 2021 r. prezydent Emmanuel Macron w paryskim Centrum Nanonauki i Nanotechnologii zadeklarował, że w ciągu najbliższych pięciu lat jego kraj zainwestuje 1,8 mld euro (1 mld z budżetu, 800 mln m.in. z pieniędzy unijnych i od przedsiębiorstw) w rozwój technologii kwantowych.

Zapowiedzi zaangażowania w rozwój technologii kwantowych padały również ze strony przedstawicieli polskich władz. W lipcu 2019 r. ówczesny minister nauki i szkolnictwa wyższego podpisał deklarację dotyczącą włączenia się Polski w prace na rzecz powstania sieci EuroQCI, dzięki której państwa europejskie będą mogły komunikować się w sposób zapewniający maksymalne bezpieczeństwo.

Oznacza to konieczność zapewnienia środków finansowych umożliwiających udział w tych przedsięwzięciach. A w badaniach o znaczeniu strategicznym, czyli mających potencjał wywrócić świat i postawić na zupełnie innych nogach (rewolucja kwantowa 2.0, sztuczne inteligencje, energetyka termojądrowa, neuronauki, biotechnologia, w tym szczepionki nowych generacji) nie da się funkcjonować od grantu do grantu.

Żeby badać superpozycję i później korzystać z potencjalnych owoców mechaniki kwantowej, środki jednak powinny być oznaczone i pewne, nie zaś jedynie prawdopodobne i mgliste jak orbita elektronu.

To przecież łatwiejsze do pojęcia, niż to, czy kot Schrödingera zamknięty w pudełku jest żywy, czy martwy, skoro w danym momencie nie otwieramy pudełka. Trzeba zrobić wszystko, choćby korzystając ze środków na odbudowę po pandemii, aby umożliwić nasz stabilny udział w tym wielkim wyścigu, który de facto już trwa.

Przeczytaj też: Szyby okienne, które przetwarzają energię słoneczną na prąd – patent made in Poland

#rewolucja kwantowa 2.0 #polska #program #inwestycja