Diagnostyka medyczna będzie szybsza i bardziej precyzyjna, bezpieczeństwo danych w sieci nieporównywalnie większe, powstaną nowe materiały o rewolucyjnych właściwościach – naukowcy przewidują, że tak w perspektywie kilkunastu lat zmieni się nasza rzeczywistość dzięki rozwojowi technologii kwantowych.
Na całym świecie trwa teraz dynamiczny rozwój tych technologii. Europa chce być pierwszą „Doliną Kwantową”. W ścisłej czołówce badań są także polscy naukowcy. Mają imponujące osiągnięcia w pracach fundamentalnych i coraz więcej wyników eksperymentalnych. Polska jest również koordynatorem największej europejskiej sieci finansującej badania w zakresie technologii kwantowych – programu QuantERA. Teraz badaczki i badacze liczą na przyjęcie długofalowej strategii rozwoju technologii kwantowych, na wzór programów, które powstały w innych krajach.
Pierwsza Dolina Kwantowa
Konferencja QuantERA Strategic Conference, Kraków 2022 | Fot. Błażej Górczyński
Pięć lat temu Unia Europejska zainicjowała jedno z najważniejszych przedsięwzięć w dziedzinie badań i innowacji – Quantum Technologies Flagship, z ponad miliardowym budżetem, by zapewnić Europie rolę lidera w technologiach kwantowych. W grudniu 2023 roku 15 państw przyjęło Europejską Deklarację Technologii Kwantowych. Sygnatariusze porozumienia, wśród których są m.in. Dania, Finlandia, Niemcy i Szwecja, ale też kraje Europy Środkowej, jak Rumunia i Węgry zwrócili uwagę na strategiczne znaczenie technologii kwantowych dla konkurencyjności naukowej i przemysłowej Europy i zobowiązali się do prac na rzecz uczynienia naszego kontynentu dominującym regionem w tym zakresie.
Miesiąc temu przedstawiciele Quantum Flagship zaprezentowali nową agendę rozwoju technologii kwantowych do 2030 roku, w której za cel przyjęto, że Europa ze swoim potencjałem naukowym i przemysłowym, wykwalifikowanymi pracownikami oraz wielomiliardowymi inwestycjami stanie się pierwszą na świecie "Doliną Kwantową”. – Wiele pomysłów i idei w dziedzinie technologii kwantowych powstało na naszym kontynencie – mówi prof. Konrad Banaszek, uznany na świecie specjalista w tej dziedzinie, laureat programu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej – MAB, autor licznych prac i zgłoszeń patentowych.
Największa sieć z siedzibą w Polsce
Prof. Konrad Banaszek jest koordynatorem naukowym sieci QuantERA, największego europejskiego programu wspierającego badania w zakresie technologii kwantowych, który ściśle współpracuje z Quantum Flagship.
QuantERA promuje ambitne projekty dotyczące fundamentów i najnowocześniejszej inżynierii w dziedzinie technologii kwantowych, wspiera współpracę pomiędzy naukowcami i agencjami finansującymi badania, monitoruje działania i strategie w tej dziedzinie oraz tworzy wytyczne dotyczące odpowiedzialnego prowadzenia badań. Sieć łączy 41 agencji finansujących badania z 31 krajów, a kluczową rolę w jego działaniu odgrywa Polska. Koordynatorem sieci jest Narodowe Centrum Nauki. – Doskonale wiemy, co się dzieje w technologiach kwantowych, jakiego rodzaju projekty są realizowane w tym momencie w Europie, a przede wszystkim mamy wpływ na kierunki rozwoju tej dziedziny – komentuje Sylwia Kostka, koordynatorka programu.
W Strategicznej Radzie Doradczej sieci od 2016 roku, czyli od początku jej istnienia, zasiada prof. Alain Aspect, który razem z profesorami Johnem Clauserem i Antonem Zeilingerem w 2022 roku otrzymał Nagrodę Nobla m.in. za pionierskie badania nad informacją kwantową. Polskę reprezentuje prof. Marek Żukowski z Uniwersytetu Gdańskiego, wieloletni współpracownik A. Zeilingera.
QuantERA sfinansowała dotąd ponad 100 międzynarodowych projektów z zakresu badań podstawowych i aplikacyjnych, w które zaangażowanych jest blisko 550 grup badawczych. W ostatnim konkursie, rozstrzygniętym pod koniec 2023 roku, wysoko ocenione zostały m.in. wnioski w zakresie obrazowania kwantowego, badań dotyczących sensorów kwantowych opartych na centrach barwnych i badań źródeł pojedynczych fotonów opartych na kropkach kwantowych.
W niemal 40 projektach sfinansowanych przez sieć zaangażowani są naukowcy pracujący w polskich ośrodkach naukowych. – Koordynacja programu przez NCN usytuowała nas w centrum wydarzeń i dodatkowo przyczyniła się do promocji polskiego środowiska kwantowego – mówi dr Radek Łapkiewicz, kierujący Laboratorium Optyki Kwantowej na Uniwersytecie Warszawskim. Badacz zajmuje się wykorzystaniem efektów kwantowych w obrazowaniu, doktorat zrobił w Wiedniu, w grupie prof. Antona Zeilingera, specjalizując się w eksperymentach ze splątanymi fotonami. W konkursie QuantERA z 2023 roku otrzymał grant na projekt aplikacyjny pod nazwą Quantum Multi-Modal Microscopy, który realizuje wspólnie z naukowcami z Francji, Niemiec i Szwajcarii.
Na pytanie, jakie zmiany mogą przynieść technologie kwantowe w obrazowaniu w najbliższym czasie, dr Łapkiewicz, odpowiada, że naturalne jest wykorzystanie narzędzi kwantowych, aby przesunąć granice tego, co możliwe w obrazowaniu biomedycznym. – Zaawansowane obrazowanie biomedyczne często jest ograniczone przez ilość dostępnego światła. Gdy np. chcemy zobaczyć struktury położone głęboko w tkance, trudno tam nieinwazyjnie doprowadzić światło i równie trudno rejestrować światło powracające. Optycy kwantowi specjalizują się w wykrywaniu bardzo słabego światła a metrolodzy kwantowi wiedzą, jak z każdego fotonu uzyskać jak najwięcej informacji – wyjaśnia. Dodaje, że środowisko naukowe pierwsze demonstracje przewag kwantowych ma już za sobą, a w tej chwili pracuje nad „znalezieniem zastosowań w obrazowaniu, gdzie technologie kwantowe okażą się najbardziej przydatne”.
Dr inż. Anna Musiał z Politechniki Wrocławskiej, kierująca projektem FiGanti, w którym współpracują naukowcy z Finlandii, Szwecji, Francji i Niemiec podkreśla, że działanie w międzynarodowym konsorcjum pozwala na zapoznanie się z potencjałem partnerów i może sprzyjać zwiększeniu rozpoznawalności jej uczelni. – Dobrze zrealizowany wspólny projekt to bardzo ważny przyczynek do postrzegania danego ośrodka naukowego w Europie i najlepsza reklama. Istotnym elementem jest też wymiana doświadczeń dotyczących badań, organizacji laboratoriów i pracy zespołów – mówi naukowczyni.
Wybitne osiągnięcia od lat dziewięćdziesiątych
Centrum Optycznych Technologii Kwantowych UW
Polscy uczeni mają wybitne osiągnięcia, jeśli chodzi o podstawy teoretyczne. Fundamentalne prace na temat splątania kwantowego powstały w latach 90. ubiegłego stulecia na Uniwersytecie Gdańskim. Prof. Ryszard Horodecki wraz ze współpracownikami stworzył tu ośrodek, który stał się światowym centrum badań w dziedzinie informatyki kwantowej. Instytucje naukowe z Warszawy i Krakowa mają długie tradycje w zakresie optyki kwantowej, z której wyrasta większość obecnych badań, dotyczących nowych sposobów komunikacji, detekcji, metrologii i obrazowania. Naukowcy z UMK w Toruniu pracują w Krajowym Laboratorium FAMO nad nową generacją optycznych zegarów atomowych, najdoskonalszych urządzeń pomiaru czasu na świecie, które mogą być wykorzystywane w geodezji i nawigacji. Zajmują się też innymi zastosowaniami metrologii kwantowej.
Obok prac teoretycznych przybywa również wyników eksperymentalnych uzyskanych w polskich laboratoriach. W ubiegłym roku zespół dr. hab. Michała Parniaka z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych UW skonstruował urządzenie potrafiące dokonać konwersji informacji kwantowej pomiędzy pojedynczymi fotonami mikrofalowymi oraz optycznymi. To odkrycie może znaleźć zastosowanie jako element infrastruktury kwantowego internetu, oraz w mikrofalowej radioastronomii. Także w ubiegłym roku grupa dr. Michała Karpińskiego z Laboratorium Fotoniki Kwantowej na tej samej uczelni opracowała nową technikę, która kilkadziesiąt razy zwiększa szybkość przesyłu informacji kwantowej. Oba wynalazki otwierają nowe możliwości techniczne, a wyniki badań naukowców zostały opublikowane jako artykuły w prestiżowym czasopiśmie – Nature Photonics.
– Wszystkie nasze ośrodki naukowe mają duży potencjał, udokumentowany uczestnictwem w projektach europejskich, publikacjami, nagrodami, patentami i kontaktami z przemysłem – ocenia prof. Konrad Banaszek.
Polskie środowisko kwantowe też coraz ściślej ze sobą współpracuje. W maju 2022, z inicjatywy prof. Banaszka, blisko 20 instytucji naukowych i podmiotów gospodarczych powołało Klaster Q – Klaster Technologii Kwantowych, który obecnie liczy już niemal 30 członków. Misją klastra jest rozwój badań nad technologiami kwantowymi oraz merytoryczne i praktyczne wsparcie całej gałęzi polskiego przemysłu kwantowego.
Austria inwestuje środki, Węgry mają drugi program kwantowy
Z raportu „Quantum Technologies Public Policies, 2023” opracowanego przez sieć QuantERA wynika, że większość państw europejskich dostrzegła korzyści, jakie może przynieść rozwój technologii kwantowych i już teraz inwestuje duże środki, by zyskać przewagę konkurencyjną. Zaledwie trzy lata wcześniej tylko kilka z 29 krajów należących do sieci miało opracowane krajowe programy rozwoju tych technologii. Dziś większość ma strategię lub przynajmniej określone priorytety w tej dziedzinie, a pięć – Austria, Dania, Hiszpania, Szwecja, Szwajcaria – dodatkowo przeznacza znaczące środki krajowe na rozwój technologii kwantowych.
Bardzo dużą aktywnością w tym zakresie wykazują się także kraje Europy Środkowej i Wschodniej. Węgry opracowały już drugi narodowy program na rzecz technologii kwantowych. Na Słowacji powstało narodowe centrum – QUTE, które ma przygotować kraj na przemysł kwantowy. Łotwa przyjęła narodową strategię i powołała inicjatywę Latvian Quantum Initiative, która łączy naukowców specjalizujących się w tej dziedzinie.
Polski nie ma w gronie krajów sygnatariuszy Europejskiej Deklaracji Technologii Kwantowych z grudnia 2023 roku. Nie powstała też narodowa strategia. – Mamy wszystkie atuty, jednak potrzebna jest decyzja polityczna, która by ugruntowała przekonanie, że technologie kwantowe są priorytetem – mówi Sylwia Kostka. Naukowcy liczą, że dokument zostanie przyjęty w najbliższym czasie. Odbyły się już pierwsze rozmowy z przedstawicielami rządu, które według koordynatorki z NCN, „mogą stać się impulsem do dalszych działań”. Prace na strategią rozpoczął Klaster Q.
– Określenie długofalowych celów pozwoli uporządkować i zintegrować rozproszone do tej pory działania. Dla mnie ważne jest to, żeby dla wszystkich stało się jasne, że technologie kwantowe to istotna dziedzina i konieczne jest jej wspieranie w dłuższej perspektywie – stwierdza dr Anna Musiał.
Przyjęcie tego programu to będzie olbrzymia szansa dla rozwoju nauki, gospodarki i biznesu.
Anna Korzekwa-Józefowicz
QuantERA Strategic Conference, Kraków 2022 | Fot. Błażej Górczyński