Laboratorium Kwantowej Informacji i Wnioskowania Statystycznego (KIiWS)

Badania

 

Kwantowa informatyka to dziedzina nauki zajmująca się badaniem i zastosowaniem układów kwantowych jako naturalnych elementów składowych do przesyłania, przechowywania i przetwarzania informacji. Głównym poruszanym przez nią zagadnieniem jest wykorzystanie kwantowych własności światła i materii, aby móc, między innymi, przesyłać dane zapewniając ich pełne bezpieczeństwo, wykonywać obliczenia o złożoności poza zasięgiem klasycznych komputerów, czy też dokonywać ultraprecyzyjnych pomiarów dzięki efektom takim jak splątanie kwantowe.

Ponieważ jednak mechanika kwantowa ma z natury charakter probabilistyczny—a co więcej układy kwantowe są bardzo czułe na zaburzenia zewnętrzne—aby móc wykorzystać ich potencjał w pełni niezbędne jest zastosowanie zaawansowanych metod wnioskowania statystycznego i przetwarzania sygnałów do efektywnej interpretacji pomiarów układu kwantowego. Celem teorii kwantowego wnioskowania statystycznego jest dostosowanie takich technik, aby nie tylko uwzględniały kwantowe właściwości danego układu, ale też, w szczególności, pozwalały na kwantowe polepszenie wydajności danego protokołu.

W ramach laboratorium KIiWS pracujemy przede wszystkim nad problemami metrologii kwantowej i wymaganymi przez nią precyzyjnymi pomiarami kwantowymi. Opracowujemy teorię kwantowych protokołów estymacji tak, aby możliwe było ich efektywne zastosowanie w układach optycznych i atomowych, ze szczególnym uwzględnieniem sensorów kwantowych opartych na parach atomowych pompowanych optycznie. Poszukujemy również nowatorskich rozwiązań w zakresie zastosowań praktycznych kwantowej informacji w kryptografii i transmisji danych, weryfikując możliwości najnowocześniejszych technologii fotonicznych.

Pracujemy także nad oprogramowaniem kwantowym—naszym celem jest stworzenie biblioteki o otwartym kodzie źródłowym, która obejmie różne techniki wnioskowania statystycznego (takie jak filtrowanie, próbkowanie rzadkie i uczenie maszynowe), aby mogły one być bezpośrednio użyte w eksperymentach i urządzeniach wykorzystujących kwantowe pomiary w czasie rzeczywistym.

 

dr Jan Kołodyński
e-mail: jan.kolodynski@cent.uw.edu.pl
pokój: 02.44

email: jan.kolodynski@cent.uw.edu.pl

website: www3.cent.uw.edu.pl/~jankolo/


Research experience:

2018-: Junior Group Leader, Centre for Quantum Optical Technologies (QOT), Warsaw, Poland.

2014-2018: Postdoctoral Researcher, Institute of Photonic Sciences (ICFO), Barcelona, Spain.

2010-2014: Research Assistant, Faculty of Physics, University of Warsaw, Poland.


Education:

2010-2014:  PhD in Physics (thesis), Faculty of Physics, University of Warsaw, Poland.

2008-2009:  MA Theor. Physics (CASM – Part III Maths), DAMTP, Cambridge, UK.

2007-2008:  Part II General in Computer Science, Comp. Labs, Cambridge, UK.

2004-2007:  BA in Natural Sciences (Physics), St John’s College, University of Cambridge, UK.


Selected prizes and scholarships:

2018-2020:  HOMING programme laureate, Foundation for Polish Science, Poland.

2015-2017:  Maria Skłodowska-Curie European Fellowship, ICFO, Spain.

2014-2015:  START Scholarship, Foundation for Polish Science, Poland.

2004-2008:  Cambridge European Trust Scholarship, Cambridge, UK.


Selected publications:


Selected invited talks:

2018.05 – “Observability and estimation in quantum dynamics” workshop, IHP, Paris, France; titled: „Bayesian filtering for quantum-enhanced atomic sensors” (video).

2017.09 – Quantum Optics IX conference, Gdansk, Poland.

2017.04 – SPIE: Optics+Optoelectronics conference, Prague, Czech Republic. Both titled: „Device-independent quantum key distribution with single-photon sources„.

2017.02   636. WE-Heraeus Seminar “Quantum-Limited Metrology and Sensing”, Bad Honnef, Germany. titled: „Random bosonic states for robust quantum metrology„.


Sensory kwantowe monitorowane w czasie ciągłym: Inteligentne narzędzia i ich zastosowania

Kierownik projektu: dr Jan Kołodyński Okres: 2020 - 2024
Finansowanie: UNISONO, NCN
Opis:

Pozyskiwanie, przetwarzanie i interpretacja danych pomiarowych w procesach fizycznych ma kluczowe znaczenie dla nauki i technologii. Głównym celem projektu „Sensory kwantowe monitorowane w czasie ciągłym: Inteligentne narzędzia i ich zastosowania” (w skrócie, C’MONQSENS!) jest opracowanie nowatorskich i przełomowych narzędzi, które pozwolą na stworzenie nowej generacji czujników (sensorów) kwantowych. Już dziś, ultraprecyzyjne sensory wykorzystujące efekty kwantowe należą do jednych z najbardziej obiecujących technologii, których zastosowanie możemy obserwować w wielu dyscyplinach, ale dotychczas tylko w wąskim ich zakresie. Większość wysiłków do tej pory poświęcana była na wykorzystanie sensorów kwantowych do mierzenia statycznych sygnałów, np. niezmiennych pól magnetycznych, za pomocą schematów jednokrotnego lub wielokrotnego pomiaru, podczas gdy większość realnych zastosowań dotyczy tak naprawdę sygnałów zmieniających się dynamicznie w czasie.

Aby w przyszłości móc pozyskiwać i wydajnie interpretować dane napływające w czasie rzeczywistym, sensory kwantowe muszą pozwalać na ich stałe monitorowanie i ciągłą kontrolę z zastosowaniem zaawansowanych technik przetwarzania sygnałów. Dlatego kluczowy aspekt projektu C’MON-QSENS! stanowi jego interdyscyplinarny charakter. Choć ostatecznym celem projektu jest opracowanie sensorów opartych na ciepłych oparach atomowych i układach optomechanicznych, które operują w czasie rzeczywistym, będzie to możliwe jedynie dzięki współpracy pomiędzy czołowymi badaczami, eksperymentatorami i teoretykami, zajmującymi się optyką i informacją kwantową, ale i (klasycznymi) metodami wnioskowania statystycznego. W szczególności, jednym z ważnych celów projektu jest wypełnienie tej interdyscyplinarnej luki, tak aby nowatorskie techniki przetwarzania sygnałów mogły być włączone do repertuaru metrologii kwantowej. Z jednej strony, dzięki projektowi C’MON-QSENS! po raz pierwszy pokazane zostanie, że za pomocą sensorów kwantowych można realizować z jeszcze większą precyzją także zaawansowane zadania pomiarowe. Z drugiej strony, wyniki projektu pozwolą badaczom na głębsze zrozumienie problemów przetwarzania informacji kwantowej w czasie rzeczywistym i opracowanie praktycznych metod kwantowego przetwarzania sygnałów, pozwalających na wykorzystanie w pełni sensorów kwantowych monitorowanych w sposób ciągły.

Podsumowując, projekt C’MON-QSENS! pozwoli na poszerzenie granic wiedzy, zarówno w ramach badań podstawowych, jak i stosowanych, na temat układów kwantowych monitorowanych w czasie rzeczywistym, poprzez realizację następujących trzech kluczowych zadań:

A. Skonstruowaniu zaawansowanych modeli dynamicznych, które pozwolą na dokładny opis sensorów kwantowych działających w sposób ciągły, w tym odpowiednich mechanizmów: dekoherencji, nieliniowości, źródeł szumu stochastycznego, jak i kwantowego pomiaru zmieniającego aktywnie dynamikę sensora w czasie rzeczywistym.

B. Opracowaniu: (i) metod przetwarzania sygnałów i wnioskowania statystycznego (filtrowania bayesowskiego, próbkowania oszczędnego, czy też analizy sekwencyjnej) dla zadań, w których, zarówno sensor kwantowy, jak i dynamika sygnału, posiadają dobrze określony model; (ii) bezmodelowe techniki posiłkujące się uczeniem maszynowym dla praktycznych zastosowań, gdy poziom szumów i nieznana dynamika uniemożliwiają dokładny opis.

C. Zbudowaniu sensorów kwantowych wykorzystujących ciepłe pary atomowe i układy optomechaniczne, które monitorowane są w czasie rzeczywistym za pomocą światła. W konsekwencji zweryfikowanie w praktyce zaawansowanych metod przetwarzania sygnałów („waveform estimation”, „model selection”, „anomaly/change-point detection”), a w szczególności zoptymalizowanie działania poszczególnych sensorów do mierzenia w czasie rzeczywistym dobrze umotywowanych sygnałów magnetycznych (magnetometria neuronu, mózgu czy serca) lub przyspieszenia (akcelerometria).

Sub-Rayleigh resolution of two incoherent sources by array homodyning
Datta C., Jarzyna M., Len Y.L., Łukanowski K., Kołodyński J., Banaszek K.
Physical Review A
Geometric approach to quantum statistical inference
Jarzyna M., Kołodyński J.
IEEE Journal on Selected Areas in Information Theory
Entanglement negativity as a universal non-Markovianity witness
Kołodyński, J., Rana, S., & Streltsov, A.
Physical Review A, 101(2), 020303