Kwantowe Technologie Optyczne

Cel projektu:

Kompleksowe badanie układów optycznych na poziomie kwantowym w celu opracowania zupełnie nowych sposobów komunikacji, detekcji, metrologii, obrazowania i innych praktycznych zastosowań.

W Warszawie inwestują w kwanty

Kraje, które dziś zainwestują w badania nad technologiami kwantowymi, już za kilka-kilkanaście lat mogą osiągnąć naprawdę duże korzyści społeczne i gospodarcze – przewidują analitycy rynku. A tymczasem fizycy, informatycy i inżynierowie intensywnie pracują nad przełożeniem przełomowych odkryć, dokonanych w ostatnich dekadach w obszarze mechaniki kwantowej, na praktyczne rozwiązania i produkty, stosowane w życiu codziennym. Taki cel przyświeca rozpoczynającemu się wkrótce ogromnemu unijnemu programowi Quantum Technology Flagship. W światowy trend wpisuje się również nowy ośrodek naukowy, tworzony na Uniwersytecie Warszawskim przez prof. dr hab. Konrada Banaszka, laureata programu Międzynarodowe Agendy Badawcze prowadzonego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Nowa placówka będzie skupiała się na kwantowych technologiach optycznych, a jej partnerem strategicznym będzie Uniwersytet w Oksfordzie.

Agenda badawcza tworzona przez prof. Konrada Banaszka proponuje bardzo atrakcyjne spojrzenie na fizykę kwantową z perspektywy nowych technologii. Nadrzędną intencją jest kompleksowe badanie układów optycznych na poziomie kwantowym w celu opracowania zupełnie nowych sposobów komunikacji, detekcji, metrologii, obrazowania i innych praktycznych zastosowań. Pojęcie „układy optyczne” jest rozumiane szeroko i obejmuje układy fizyczne, które dają się przygotowywać, manipulować i mierzyć za pomocą światła. Układy te to m.in. atomy, cząsteczki, ciała stałe oraz układy optomechaniczne, a zakres ich potencjalnych implementacji jest bardzo szeroki.

„W podejściach konwencjonalnych wszystkie wykorzystywane istotne parametry mają dobrze zdefiniowane znaczenie makroskopowe. W opisie kwantowym centralną rolę odgrywają natomiast stany kwantowe, które zawierają pełną charakterystykę opisywanych obiektów fizycznych, ale nie są bezpośrednio dostępne. Analiza tradycyjnych metod na gruncie mechaniki kwantowej wyznacza

ich granice możliwości. W wielu technologiach optycznych znane są one jako ograniczenia związane z „szumem śrutowym”, wynikającym z kwantowej natury światła, którego elementarnymi „ziarnami” są fotony. Na przykład, w tradycyjnych metodach obrazowania i mikroskopii szum śrutowy wyznacza teoretyczną granicę dokładności obrazu i ogranicza możliwości zwiększenia rozdzielczości poza granice dyfrakcji. W łączności optycznej prawdopodobieństwo wystąpienia błędu dla standardowych systemów kodowania zależy w określony sposób od dostępnej mocy sygnału. Gdy jednak wziąć pod uwagę strategie dozwolone przez mechanikę kwantową, to okazuje się, że optymalne wyniki możliwe do uzyskania za pomocą rozważanych protokołów są znacznie lepsze, niż wynikałoby z tych ograniczeń. Główna przyczyna leży w możliwości przygotowania, manipulowania i detekcji systemów kwantowych w sposób wykraczający poza metody konwencjonalne, oparte wyłącznie na wielkościach makroskopowych” ‒ mówi prof. Konrad Banaszek.

Przykładem zastosowań mechaniki kwantowej są nowatorskie metody pomiarowe z wydajnością i czułością nieosiągalnymi metodami tradycyjnymi. Kwantowe sensory mogą być w przyszłości wykorzystywane np. w badaniach geologicznych (gdyż zapewniają bardzo dokładne pomiary gradientów pola grawitacyjnego) oraz do monitorowania środowiska (gdyż wykrywają śladowe ilości substancji chemicznych). Magnetometria wykorzystująca koherentnie kontrolowane systemy kwantowe, takie jak centra barwne w diamencie, może natomiast radykalnie uprościć diagnostykę medyczną opartą np. o metodę rezonansu magnetycznego. Techniki komunikacji kwantowej mogą przynajmniej częściowo rozwiązać problem cyberbezpieczeństwa i kradzieży tożsamości w Internecie. A wykorzystujące kwantowe efekty zaawansowane metody oświetlania próbek i obrazowania mogą otworzyć zupełnie nowe horyzonty w badaniach biomedycznych. Jak podkreśla prof. Konrad Banaszek, to tylko kilka przykładów praktycznych wdrożeń inżynierii kwantowej, wiele innych dopiero czeka na odkrycie.

Na zdjęciu: Prof. dr hab. Konrad Banaszek / fot. OneHD

Opis pochodzi ze strony Fundacji na rzecz Nauki Polskiej