Kwantowo informatyczne podejście do wybranych aspektów podstaw fizyki

Informatyka kwantowa to dziedzina, w której myślenie właściwe badaniom podstawowym łączy się z podejściem praktycznym. Koronnym przykładem są nierówności Bella. Przez długi czas interesowano się nimi z powodów filozoficznych, gdyż ich łamanie przez mechanikę kwantową implikuje niemożność opisu świata, w którym nieobserwowane cechy istnieją niezależnie od obserwacji. W ostatnich latach okazało się, że nierówności Bella stoją za tzw. kwantową kryptografią niezależną od urządzenia, stały się więc obiektem zainteresowania naukowców, dla których filozoficzne pytania nie były dotąd istotne. Drugą ważną cechą informatyki kwantowej jest unifikacja wielu pozornie odległych zagadnień, takich jak zasada nieoznaczoności i termodynamika. W ostatnich latach przeformułowano termodynamikę w taki sposób, że stała się przykładem teorii zasobów, w której zasobem jest stan nierównowagowy, a celem – przekształcania jednych stanów w inne. Mniej więcej w tym samym czasie zauważono, że pojęcie nieoznaczoności jest związane z zasobem, jakim jest oznaczoność. W obu przypadkach kluczową rolę odgrywa pojęcie typu majoryzacji, które determinuje, kiedy możliwa jest transformacja jednego obiektu w inny. Zasada nieoznaczoności silnie wiąże się z pewnym wariantem nierówności Bella – jest wręcz odpowiedzialna załamanie takich nierówności.

Dzięki temu, że informatyka kwantowa unifikuje tak różne obszary, a także dostarcza „pragmatycznych” metod do badania problemów natury podstawowej, możliwe jest prowadzenie równoległych badań interdyscyplinarnych. W efekcie wielu ekspertów w dziedzinie informatyki kwantowej posiada w swym dorobku istotne rezultaty dotyczące szerokiego spektrum problemów związanych z tą dyscypliną. W projekcie finansowanych przez Narodowe Centrum Nauki w konkursie OPUS chcemy zastosować takie szerokie podejście, analizując termodynamikę jako teorię zasobów, a także nierówności Bella, zasady nieoznaczoności oraz pewne nieprzywiedlne reprezentacje. W projekcie poruszamy ważne dla informacji kwantowej problemy, w szczególności kwantowo-informatyczne podejście do termodynamiki, będące wciąż aktualnym tematem, do którego popularności przyczyniła się wydatnie praca kierownika projektu opublikowana w 2013 r.

prof. dr hab. Michał Horodecki

Pracuje w Instytucie Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Uniwersytetu Gdańskiego oraz w Krajowym Centrum Informatyki Kwantowej w Gdańsku. Jest członkiem gdańskiej grupy informatyki kwantowej, która wniosła wkład do budowy podstaw teorii kwantowego splątania oraz realizuje wiele projektów krajowych i międzynarodowych (jest m.in. liderem gdańskiego węzła projektu RAQUEL w 7. Programie Ramowym UE). W 2014 r. otrzymał nagrodę Narodowego Centrum Nauki, a rok później nagrodę Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Jego dorobek obejmuje ponad 130 publikacji cytowanych ponad 9000 razy.

Prof. Horodecki jest współodkrywcą (wraz z Pawłem i Ryszardem Horodeckimi) tzw. związanego splątania – szczególnego typu kwantowych korelacji, zwanego „czarną dziurą” kwantowej informacji, a także ogólnego formalizmu kwantowego klucza kryptograficznego. We współpracy z Jonathanem Oppenheimem i Andreasem Winterem odkrył tzw. „ujemną kwantową informację” – rezultat został opublikowany w czasopiśmie „Nature”. We współpracy z Robertem Alickim i Markiem Fannesem zastosował teorię układów otwartych do badania topologicznych komputerów kwantowych. Podejście to, stanowiące jedną z najbardziej obiecujących propozycji budowy kwantowego komputera, należy obecnie do najważniejszych metod badania stabilności termicznej komputerów opartych o topologiczną korektę błędu. To właśnie za te prace oraz badania nad losowymi kwantowymi obwodami w 2014 r. prof. Horodecki otrzymał Nagrodę NCN.

Jak wspomniano powyżej, prof. Horodecki jest kierownikiem grantu pt. Kwantowo-informatyczne podejście do wybranych aspektów podstaw fizyki wyłonionego w konkursie OPUS. Ponadto uczestniczył też w innych badaniach finansowanych przez Narodowe Centrum Nauki. Jako wykonawca w projekcie MAESTRO we współpracy z Fernando Brandao udowodnił tzw. prawo powierzchni dla układów jednowymiarowych o zanikających korelacjach. Rezultat został opublikowany w czasopiśmie „Nature Physics” i wzbudził ogromne zainteresowanie specjalistów z zakresu kwantowej teorii wielu ciał.

Prof. Horodecki pracuje obecnie m.in. nad wzmacnianiem kwantowo-mechanicznej losowości, która może być w przyszłości wykorzystana do zapewnienia bezpieczeństwa w protokołach kryptograficznych, takich jak np. transfery bankowe. Biorąc udział w pracach dużej grupy badawczej z Krajowego Centrum Informatyki Kwantowej, zbudował protokół do kwantowego wzmacniania losowości, który po raz pierwszy nie wymaga nieskończonej liczby urządzeń, a tym samym ma szansę być zrealizowany.

Data publikacji: 22.03.2016