Jak nie przegapić kwantowej rewolucji

W „My Company Polska” na co dzień opowiadamy przedsiębiorcom o technologiach, które mogą realnie wpłynąć na ich biznes. Zacznijmy więc od konkretów. Jakie korzyści firmy mogą odnieść z technologii kwantowych, gdy te w pełni dojrzeją?

Najbliżej komercjalizacji są czujniki kwantowe. To dziedzina, w której już teraz obserwuję prototypy i pierwsze wdrożenia, zwłaszcza w sektorze militarnym. Przykładów jest mnóstwo, teraz skupmy się na jednym. Przytoczę sytuację z życia: system nawigacji GPS zostaje zakłócony, jak miało to niedawno miejsce w przypadku samolotu szefowej Komisji Europejskiej. Piloci musieli lądować, korzystając z radiowych map. Czujniki kwantowe oferują rozwiązanie tego problemu.

W jaki sposób?

Samolot wyposażony w takie czujniki nie potrzebowałby sygnału z satelitów, gdybyśmy stworzyli niezwykle dokładne mapy pola magnetycznego i grawitacyjnego Ziemi. Pola te nie są jednorodne – zmieniają się w zależności od tego, co znajduje się pod powierzchnią, np. przez złoża minerałów. Jeśli na pokładzie samolotu umieścimy ultrawrażliwe czujniki kwantowe mierzące te dwa pola, możemy z ogromną precyzją określić jego pozycję. A co najważniejsze, tych naturalnych pól Ziemi nikt nie jest w stanie zakłócić. To świetna ilustracja tego jak działa namierzanie bez GPS. Obecnie informację o lokacji czerpiemy głównie z satelit nad Ziemią. Ten sygnał można zakłócić i „zaszumić” poprzez przykrycie innym sygnałem. Trochę, jak zakłócanie radia zachodniego w komunistycznej Polsce.

Pola grawitacyjnego i magnetycznego Ziemi nie da się zakłócić przez zewnętrzne sygnały. Możemy podobnych pomiarów użyć również do dokładnej lokalizacji surowców. Geologia i poszukiwanie złóż to potencjalnie ogromny rynek dla czujników kwantowych.

Czy mogłaby pani przybliżyć, jak w praktyce działałoby takie kwantowe „prześwietlanie” Ziemi? Jak to możliwe, że czujnik na powierzchni wie, co kryje się głęboko pod nią?

Aby to zrozumieć, musimy wyjaśnić dwa pojęcia: pole grawitacyjne i pole magnetyczne. Ziemia mając ogromną masę, wytwarza potężne pole, które trzyma nas na powierzchni. Gdyby nasza planeta była idealną, jednorodną kulą, pole to byłoby wszędzie identyczne. Ale nie jest.

Wyobraźmy sobie skrajny przykład: po jednej stronie globu, głęboko pod ziemią, znajduje się gigantyczne złoże gęstego i ciężkiego żelaza, a po drugiej stronie, na tej samej głębokości, jest ogromna pusta jaskinia wypełniona tylko lekkim powietrzem. Żelazo, miedź, ropa czy inne surowce, mają znacznie większą masę na tę samą objętość, więc będą generować lokalnie silniejsze przyciąganie grawitacyjne niż powietrze. Czujnik kwantowy, przelatując nad tym obszarem, wykryje tę anomalię – tę subtelną różnicę w sile grawitacji.

I poinformuje nas jakie bogactwo spoczywa pod nami?

Dokładnie tak. Z kolei pole magnetyczne Ziemi powstaje dzięki ruchowi żelaza i niklu w jej jądrze. To pole również nie jest jednorodne. Różne minerały w skorupie ziemskiej w różny sposób na nie wpływają.

Dzięki połączeniu danych z niezwykle precyzyjnych pomiarów obu tych pól, tworzymy trójwymiarową mapę tego, co jest pod ziemią. To rewolucja dla górnictwa i budownictwa, np. przy drążeniu tuneli metra czy poszukiwania wód gruntowych. Możliwe jest odkrycie np. potrzebnych pierwiastków w przemyśle. Takie czujniki mogłyby więc uczynić kraj bogatszym w zasoby, gdyby się okazało, że gdzieś mamy złoża takiego surowca i wiemy gdzie go poszukiwać.

Mówi pani o bardzo konkretnych zastosowaniach, jak incydent z samolotem szefowej KE. Czy moglibyśmy przyjrzeć się bliżej takim przykładom? Jak jeszcze fizyka kwantowa już dziś zmienia nasz świat?

Te przykłady doskonale pokazują, że to już nie jest science fiction. Na konferencji organizowanej przez „The Economist” prezentowano prototypy takich urządzeń m.in. w hełmach wojskowych. Montowane w nich czujniki kwantowe dodatkowo monitorują w czasie rzeczywistym przeciążenia działające na głowę żołnierza oraz zmiany w polu magnetycznym generowanym przez jego mózg. Pozwala to natychmiast wykryć ryzyko mikrowstrząsów i uszkodzeń neurologicznych, zanim staną się one groźne.

Innym fascynującym zakresem jest nawigacja podwodna. Sygnały GPS nie docierają pod wodę. Obecnie okręty podwodne używają skomplikowanych i nie zawsze precyzyjnych systemów nawigacji inercyjnej. Czujnik kwantowy, mapujący anomalie grawitacyjne i magnetyczne dna morskiego, pozwoliłby łodzi podwodnej na nawigację z dokładnością do kilku metrów, w całkowitym ukryciu i bez wynurzania się po sygnał satelitarny. To zmienia reguły gry nie tylko w wojskowości, ale też w badaniach oceanograficznych czy podmorskim górnictwie. Widzimy więc, że technologia, która rodzi się z fundamentalnych pytań o naturę rzeczywistości, znajduje bardzo praktyczne, twarde, biznesowe i strategiczne zastosowania. Kto pierwszy wytworzy tę technologię zyska ogromną militarną przewagę.

Poza czujnikami, media rozpalają doniesienia o komputerach kwantowych, które mają rozwiązywać problemy zabijające dzisiejsze superkomputery.

Tak, ale warto tu wprowadzić pewne rozróżnienie. Cała dziedzina technologii kwantowych dzieli się na kilka gałęzi. Czujniki są koncepcyjnie najprostsze. Znacznie bardziej skomplikowane są symulatory kwantowe i uniwersalne komputery kwantowe.

Klasyczny komputer operuje na bitach, które przyjmują wartość 0 albo 1. Komputer kwantowy używa kubitów, które dzięki zjawisku superpozycji mogą być jednocześnie zerem i jedynką, a także przyjmować nieskończenie wiele stanów pośrednich. To otwiera zupełnie nowe możliwości obliczeniowe.

Jakie problemy biznesowe można w ten sposób rozwiązać?

Przede wszystkim problemy optymalizacyjne. Klasycznym przykładem jest „problem komiwojażera”, czyli znalezienie najkrótszej możliwej trasy łączącej wiele punktów. Zobrazuję to prawdziwym przykładem dużej amerykańskiej firmy farmaceutycznej, która interesuje się rozwiązaniami z symulatora kwantowego. Takie przedsiębiorstwo musi optymalnie zaplanować całą logistykę: dostawy leków z wielu fabryk do tysięcy aptek. Dla stu miast liczba kombinacji jest astronomiczna. Pytanie jak zrobić to w sposób optymalny? Symulator kwantowy mógłby znaleźć idealne rozwiązanie znacznie szybciej niż jakikolwiek klasyczny komputer.

Jednak prawdziwy przełom dotyczy projektowania. Co moglibyśmy osiągnąć za pomocą tej technologii?

Wyobraźmy sobie, że chcemy stworzyć nowy, lepszy materiał, np. nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej. To Święty Graal materiałoznawstwa. Taki materiał pozwoliłby przesyłać prąd bez żadnych strat, rewolucjonizując energetykę. Dzisiaj poszukujemy takich materiałów metodą prób i błędów w laboratoriach, co jest drogie i czasochłonne.

Symulator kwantowy, zbudowany np. z atomów schwytanych w pułapki laserowe, pozwala nam stworzyć wirtualny model materiału. Możemy w nim „przekręcać gałkami” – zmieniać oddziaływania między atomami, ich ułożenie – i obserwować, czy w naszym modelu pojawia się nadprzewodnictwo. Gdy znajdziemy obiecującą konfigurację, dopiero wtedy próbujemy stworzyć taki materiał fizycznie. To ogromna oszczędność czasu, zasobów, a także pieniędzy.

A co z medycyną i biotechnologią?

To samo podejście stosuje się do projektowania leków, czy bardziej ogólnie leczenia człowieka. Duże cząsteczki biologiczne, jak białka, są zbyt skomplikowane, by dokładnie zasymulować je na klasycznych komputerach. Dlatego chemia i biologia w dużej mierze wciąż opiera się na eksperymentach. Symulator kwantowy pozwoli nam zrozumieć, jak te molekuły działają na poziomie kwantowym, co radykalnie przyspieszy proces odkrywania nowych, skuteczniejszych terapii i leków. Zamiast lat w laboratorium, obiecujące związki będzie można wytypować w ciągu dni lub tygodni. To znacznie usprawniłoby także diagnostykę np. wykrywanie raka i pozwoliłoby na badania czulsze niż rezonansem magnetycznym.

Brzmi to niezwykle obiecująco. Na jakim etapie jesteśmy dzisiaj i jakie jest w tym wszystkim miejsce Polski?

Jak wspomniałam, czujniki kwantowe są najbardziej zaawansowane i już wchodzą do fazy testów komercyjnych. Uniwersalne komputery kwantowe, budowane przez gigantów jak Google czy IBM, istnieją, a nawet można wykupić do nich dostęp przez chmurę i uczyć się je programować. Na razie jednak nie oferują one przewagi nad najlepszymi klasycznymi superkomputerami. To wciąż technologia jutra.

Natomiast w Polsce działa kilka ośrodków naukowych w tym już trzy Międzynarodowe Agendy Badawcze, w Gdańsku i w Warszawie, przeznaczone dla technologii kwantowych, które są coraz ważniejsze na mapie Europy i zdobywają prestiżowe granty. Jest też kilka firm, które wraz z niektórymi ośrodkami naukowymi tworzą Klaster Q – klaster poświęcony rozwojowi technologii kwantowych w Polsce. Są też prototypowe wdrożenia telekomunikacyjne, prowadzone przez NASK i próby integrowania prototypów komputerów kwantowych w sieć superkomputerów w ramach tzw. PIAST-Q. W warszawskim Centrum Fizyki Teoretycznej PAN też dzieje się coś bardzo ważnego. Zakładamy Międzynarodową Agendę Badawczą ze środków Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej, a wcześniej otrzymaliśmy prestiżowy grant z programu Horizon Europe Widening finansowany przez Unię Europejską. Jego celem jest wspieranie rozwoju w krajach o wschodzącym potencjale naukowym. Wybraliśmy właśnie technologie kwantowe jako dziedzinę, którą chcemy rozwijać w Polsce. To pokazuje, że UE widzi w tym przyszłość i chce, by Polska była częścią tej rewolucji. W Wielkiej Brytanii technologie te są już uznawane za tak strategiczne jak technologie militarne.

Czy polski przedsiębiorca może już dziś skorzystać z waszej wiedzy?

Oczywiście, i to jest jeden z celów naszego grantu. Chcemy pełnić funkcję doradczą. Jeśli jakaś firma ma złożony problem optymalizacyjny, materiałowy czy chemiczny i zastanawia się, czy technologie kwantowe mogłyby go rozwiązać, może się do nas zwrócić. Pomożemy ocenić, czy dany problem nadaje się do rozwiązania za pomocą tych narzędzi. Jeśli tak, wskażemy dalsze kroki. A jeśli jest na to jeszcze za wcześnie, również udzielimy rzetelnej informacji. Chcemy budować most między światem nauki a światem biznesu, by polskie firmy nie przegapiły kwantowej rewolucji.