Polska infrastruktura komputera kwantowego – budowa kompetencji i bezpieczeństwa

W Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT Politechniki Warszawskiej realizowany jest projekt, który wyznacza kierunek rozwoju jednej z najbardziej zaawansowanych dziedzin współczesnej technologii – inżynierii kwantowej, a szczegółowo zakresu infrastruktury komputera kwantowego. 

Przedsięwzięcie prowadzone w ramach projektu MIKOK stanowi element szerszej strategii budowania narodowych kompetencji w obszarze technologii kwantowych oraz wzmacniania zdolności państwa w zakresie bezpieczeństwa i obronności.

Projekt został zainicjowany przez Wojska Obrony Cyberprzestrzeni, które pełnią rolę gestora i aktywnie uczestniczą w definiowaniu jego kierunków oraz przyszłych zastosowań. To właśnie potrzeby związane z cyberbezpieczeństwem, kryptologią i przetwarzaniem dużych zbiorów danych stanowią jeden z głównych impulsów do jego realizacji. Finansowanie zapewnia Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, które od 2021 roku wspiera rozwój tej infrastruktury w ramach konkursu „Szafir”, ukierunkowując efekty prac badawczo-rozwojowych na bezpieczeństwo państwa.

Za realizację odpowiada konsorcjum badawczo-rozwojowe kierowane przez Politechnikę Warszawską, współpracujące z Wojskową Akademią Techniczną, Politechniką Śląską, Wojskowym Instytutem Technicznym Uzbrojenia oraz Sonovero R&D Sp. z o.o. Projekt wszedł w zaawansowaną fazę prac rozwojowych. W jego realizację zaangażowany jest interdyscyplinarny zespół specjalistów obejmujący inżynierów, fizyków, informatyków oraz ekspertów z zakresu cyberbezpieczeństwa.

Kluczowym założeniem projektu jest budowa infrastruktury od podstaw. Konsorcjum nie korzysta z gotowego rozwiązania, lecz rozwija własny system, obejmujący zarówno warstwę sprzętową, jak i oprogramowanie (pełen stos), algorytmy oraz środowisko symulacyjne. Takie podejście pozwala uniknąć zależności technologicznej od zewnętrznych dostawców, eliminując ryzyka związane z zamkniętymi rozwiązaniami oraz potencjalnymi podatnościami. Jednocześnie umożliwia rozwój własnych kompetencji, które są niezbędne do dalszego doskonalenia i wykorzystania tej technologii, czemu sprzyja również budowanie potencjału szkoleniowego dla wojska.

Powstająca infrastruktura ma charakter modularny, co oznacza możliwość jej rozbudowy i skalowania w przyszłości. Architektura oparta na standardach przemysłowych pozwala zwiększać liczbę kubitów, łączyć kolejne jednostki obliczeniowe oraz zapewniać dostęp dla wielu użytkowników, w tym w środowiskach o podwyższonych wymaganiach bezpieczeństwa. Równolegle opracowywany jest symulator komputera kwantowego oraz kompilator umożliwiający programowanie systemu zarówno w trybie lokalnym, jak i zdalnym.

Technologia wykorzystywana w projekcie opiera się na pułapkach jonowych, w których rolę kubitów pełnią pojedyncze jony wapnia. Są one utrzymywane w próżni wytworzonej w pułapce i kontrolowane za pomocą pól elektrycznych oraz precyzyjnych układów laserowych. W procesie przygotowania układu jony są schładzane do temperatur bliskich zeru bezwzględnemu, co umożliwia stabilne odwzorowanie stanów kwantowych. Dzięki temu możliwe jest wykonywanie kwantowych operacji obliczeniowych poprzez kontrolę ich stanów energetycznych.

System składa się z szeregu współpracujących ze sobą komponentów, obejmujących pułapkę jonową, układy laserowe, optykę światłowodową, elementy optoelektroniczne oraz zaawansowaną elektronikę sterującą. Całość jest zarządzana przez dedykowane oprogramowanie, które umożliwia użytkownikom dostęp do zasobów obliczeniowych. Precyzyjna synchronizacja wszystkich tych elementów jest warunkiem koniecznym do prowadzenia operacji na poziomie pojedynczych atomów.

W ramach projektu osiągnięto już istotne rezultaty, w tym utworzenie łańcuchów jonów schłodzonych, które stanowią podstawę realizacji bramek kwantowych. To one odpowiadają za wykonywanie operacji obliczeniowych w komputerze kwantowym. W odróżnieniu od klasycznych systemów, obliczenia realizowane są poprzez manipulację stanami kwantowymi, co umożliwia inne podejście do rozwiązywania wybranych problemów matematycznych i obliczeniowych w oparciu o mechanikę kwantową.

Istotnym elementem projektu jest rozwój oprogramowania i dedykowanych algorytmów kwantowych. W komputerach kwantowych są one ściśle powiązane z architekturą sprzętową, co oznacza, że ich efektywne tworzenie wymaga pełnej znajomości działania systemu i zależy od sposobu sprzętowej realizacji kubitów. Z tego powodu budowa własnej infrastruktury ma bezpośredni wpływ na zdolność opracowywania rozwiązań zarówno dla zastosowań cywilnych, jak i wojskowych, takich jak symulacje, analiza danych czy rozwój metod kryptograficznych.

Znaczenie projektu należy rozpatrywać również w szerszym kontekście rozwoju technologii kwantowych i podwójnego zastosowania przełomowych technologii tzw. dual-use. Oprócz obliczeń obejmują one także obszary takie jak precyzyjne systemy pomiarowe oraz bezpieczna komunikacja. Równocześnie technologie kwantowe mogą znaleźć zastosowanie w detekcji zakłóceń elektromagnetycznych i analizie środowiska operacyjnego, a także w innych obszarach sensoryki kwantowej, takich jak grawimetria i zegary kwantowe dla PNT.

Więcej informacji: www.wojsko-polskie.pl/woc/articles/aktualnosci-w/polska-infrastruktura-komputera-kwantowego-budowa-kompetencji-i-bezpieczenstwa