Prof. Życzkowski: Chcę zbadać, czy komputer kwantowy może działać i dać konkretne wyniki

"W ramach tego grantu już nie będę badał, jak świat jest zbudowany, tylko zakładając, że mechanika kwantowa dobrze opisuje świat w skali mikro, spróbuję lepiej zrozumieć, na co ona pozwoli, a na co nie. To powinno dać odpowiedź np. na pytania, czy komputer kwantowy będzie kiedyś działał, czy nie, czy będzie na wyjściu produkował ciekawe liczby i konkretne wyniki, czy tylko szum informacyjny" - mówi RMF FM prof. Karol Życzkowski. Fizyk teoretyk z Uniwersytetu Jagiellońskiego i Centrum Fizyki Teoretycznej PAN otrzymał w tym roku prestiżowy ERC Advanced Grant. Będzie badał struktury, które mogą być istotne dla rozwoju teorii informacji kwantowej oraz technologii kwantowych.

Prof. Karol Życzkowski z Uniwersytetu Jagiellońskiego i Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w ramach ERC Advanced Grant będzie badał własności typowych stanów i kanałów kwantowych, a także identyfikował wyróżnione struktury o ekstremalnych własnościach, przydatne do przetwarzania informacji kwantowej. ERC Advanced Grants to konkurs, w którym o finansowanie przełomowych badań ubiegają się doświadczeni naukowcy o uznanym już dorobku. Europejska Rada ds. Badań Naukowych na realizację projektu TAtypic, którym zajmie się krakowski badacz. przeznaczyła 2,25 mln euro. Grant prof. Życzkowskiego jest 85., który będzie realizowany w Polsce. Na liście tej jest tylko 13 ERC Advanced Grants.

Grzegorz Jasiński: Panie profesorze, muszę zacząć od gratulacji, bo to po pierwsze prestiżowy grant ERC Advanced dla naukowców, którzy mają już duży dorobek. Po drugie pierwszy taki w Małopolsce, więc też dla uniwersytetu jest to honor. No i w związku z tym pierwsze pytanie, czym się pan będzie zajmował naukowo?

Prof. Karol Życzkowski: Dziękuję za rozmowę i gratulacje. Rzeczywiście bardzo się ucieszyłem na wiosnę w tym roku, dowiadując się, że taki grant otrzymałem. Grant ma tytuł "Typowe i nietypowe struktury w mechanice kwantowej". Dotyczy fizyki teoretycznej.

Fizyka teoretyczna - to od razu dla naszych słuchaczy brzmi tajemniczo. "Typowe i nietypowe struktury kwantowe" - do czego mogą się przydać, jeśli teoretycznie uda się panu profesorowi je lepiej zrozumieć, poznać, wymyślić?

Fizyka teoretyczna stara się zrozumieć i opisać świat. Sto lat temu, nawet więcej niż sto lat temu, doszło do wielkiej rewolucji w zrozumieniu fizyki na skalę mikro, na skalę cząstek elementarnych, kiedy okazało się, że nasze rozumienie klasyczne, iż możemy przewidzieć trajektorię cząstki, nie ma zastosowania na małą skalę. Tam możemy tylko mówić o prawdopodobieństwie, z jakim dana cząstka zostanie zarejestrowana. I przez ostatnie sto lat doszło do niesamowitych sukcesów tej teorii, gdyż wszystkie nasze doświadczenia, pana zegarek, pana urządzenie nagrywające, mikrofon, światełka, które tu migają na czerwono, właściwie to wszystko opiera się i związane jest z zasadami mechaniki kwantowej. A w moim grancie właściwie już nie będę badał, jak świat jest zbudowany, tylko zakładając, że mechanika kwantowa dobrze opisuje świat na skalę mikro - uwaga nie mówię, że jest prawdziwa, tego nie wiem, mówię, że dobrze opisuje dane doświadczalne - usiłuję zrozumieć, na co ona pozwoli, a na co nie.

Przy składaniu wniosku o grant trzeba mieć zawsze jakiś cel, plan. Do czego pan będzie dążył? I w związku z tym, jaki jest ten plan i czym rozliczy pan ten grant po 5 latach?

Bardzo dobre pytanie. Oczywiście, że przygotowując ten wniosek - troszkę mi to czasu zajęło - musiałem pokazać moje dotychczasowe wyniki, osiągnięcia właśnie w dziedzinie mechaniki kwantowej i pomyśleć, jak zaciekawić recenzentów planami na przyszłość. Tu chodzi o to, aby zastanowić się, jakie struktury mają specjalne własności - nazywamy je nietypowymi. Chodzi właśnie o pewne pomiary kwantowe, stany kwantowe, które opisują. Są takie matematyczne narzędzia pozwalające na wyliczenie prawdopodobieństw, że cząstka zostanie zarejestrowana przez jedno urządzenie, czy przez drugie. I teraz - najkrócej mówiąc - to łączy się z podstawami kwantowej teorii informacji, czyli pozwoli nam lepiej zrozumieć na przykład kluczowe pytania, czy komputer kwantowy będzie kiedyś działał, czy nie, czy będzie na wyjściu produkował ciekawe liczby i konkretne wyniki, czy tylko szum informacyjny.

A jakie jest pana podejrzenie? Jaka jest hipoteza badawcza? Będzie działał czy nie?

Tego oczywiście nie wiemy, ale mamy nadzieję, że uda nam się znaleźć takie struktury, które mogą być przydatne w dalszym rozwoju tej dziedziny. Więc w pewnym sensie, jak na fizykę teoretyczną, to są badania - no nie zawaham się powiedzieć - nawet trochę stosowane. To nie jest tak, że bezpośrednio będziemy stosować je do budowy komputera kwantowego, do którego się na razie tutaj w Polsce i w Krakowie nie przymierzamy, ale będziemy badać, co jest możliwe, jak chodzi o traktowanie takiego inherentnego szumu kwantowego, który zawsze jest i jest przeszkodą w procesowaniu informacji kwantowej. Ma skutek oddziaływania układów kwantowych z otoczeniem, które jest nieuniknione, na przykład na skutek tzw. szumu termicznego, czyli temperatury, która, jak wiadomo, jest większa od zera - i tu nie chodzi o zero Celsjusza, tylko o zero Kelvina - i jest ryzyko, że informacja zapisana w cząstkach kwantowych zostanie jakby przez ten szum rozmyta czy zniszczona.

Czyli komputer coś policzy, jakiś stan się pojawi, ale potem to ulegnie tak naprawdę rozmyciu...

Nie potem. Tylko to, co otrzymamy w wyniku pomiaru, to nie będzie to, co byśmy chcieli otrzymać, tylko będzie na tyle zaburzone, że np. z ciągu bitów dających jakąś cyfrę, która miała być naszym wynikiem, wystarczy, że nawet nie połowa, ale jedna trzecia bitów będzie przekłamana i ten wynik będzie bez wartości.

Czy to jest to, o czym się mówi jako o dekoherencji?

Tak, tak, rzeczywiście. Słowo koherencja to jest spójność. Informacja kwantowa właśnie powinna być spójna, żeby wyniki były takie, jak zaplanowaliśmy. A dekoherencja pojawia się na skutek oddziaływania z otoczeniem. Ten układ kwantowy traci swoje własności i przechodzi właściwie w taki układ już bardziej klasyczny, ale bardziej losowy, kiedy te rejestrowane bity nie mają znaczenia.

Prace nad komputerami kwantowymi prowadzą największe firmy, niezwykle bogate. Prowadzą je często w tajemnicy. Czy fizycy teoretycy dokładnie wiedzą, jaki jest w tej chwili stan tych badań, czy to z punktu widzenia pana zainteresowań tak naprawdę nie ma żadnego znaczenia?

Ma znaczenie i trochę fizycy wiedzą, trochę nie. Mogę powiedzieć, że niestety dobrzy fizycy często obecnie znajdują właśnie zatrudnienie w bogatych firmach. Tu nawet jeden mój mądry kolega - już po habilitacji w Krakowie - teraz pracuje dla amerykańskiej znanej firmy, gdzie w zasadzie pracuje nad algorytmami kwantowymi. Czy one będą działać? Czy ten komputer naprawdę policzy to, co trzeba? Tego nie wiemy, ale proszę państwa, to tak czy inaczej doprowadzi do jakiegoś sukcesu w takim sensie, że to jakby współgra z rozwijaniem algorytmów klasycznych. W ciągu ostatnich 20 lat nastąpił pewien postęp w dziedzinie konstrukcji i nawet oprogramowania tych prototypów komputerów kwantowych. Bo powiedzmy jasno, taki prawdziwy komputer kwantowy, który by coś policzył, jeszcze nie istnieje, ale prototypów, które mogą jedną, dwie, trzy bramki wykonać na pięciu kubitach, istnieją. One istnieją i równolegle z rozwojem algorytmów kwantowych nastąpił wielki postęp i rozwój algorytmów klasycznych, które różne zagadnienia, np. optymalizacji, liczą coraz lepiej. Jakiego typu zagadnienia? Wystarczy, że mamy - powiedzmy - w Pekinie jakiś tysiąc taksówek i część ma przejechać w lewo, część w prawo. Chodzi o to, jak zoptymalizować ruch w takim olbrzymim, kolosalnym mieście. No to już jest taki problem optymalizacyjny, z którym właściwie żaden komputer klasyczny sobie nie radzi. A teraz się nazywa, że jakieś algorytmy, które po części mają używać komponentów kwantowych, mogą sobie lepiej ze znalezieniem takich przybliżonych optimów jakiejś funkcji celu poradzić.

Padło hasło kubit, więc przypomnijmy, czym kubit różni się od bita.

Może zacznijmy, że bit to jest "binary unit", czyli jednostka binarna 0 albo 1. Prąd płynie albo nie. Światełko świeci, jak tutaj, albo nie. A kubit to jest skrót od "Quantum Bit", czyli bit kwantowy. To jest - można powiedzieć krótko - układ kwantowy, który ma dwa wyróżnione stany, np. atom w stanie podstawowym czy wzbudzonym albo światło spolaryzowane pionowo lub poziomo. Taki układ pozwoli na przechowanie jednej jednostki informacji właśnie kwantowego odpowiednika bitu.

Jaka jest przewaga kubitu nad bitem?

Przewaga jest taka, że jest dużo więcej możliwości zakodowania informacji w kubicie niż bicie. Co więcej, jeśli mamy ciąg kilku bitów, na przykład K bitów, to mamy 2 do potęgi K możliwości. Jeżeli mamy K kubitów, to liczba stanów, czyli jakby ta przestrzeń, którą autor algorytmu kwantowego ma do swej dyspozycji, dużo szybciej rośnie z liczbą kubitów niż bitów. Przez to algorytmy kwantowe mogą - mówiąc krótko - więcej, np. mogą osiągnąć coś, co najłatwiej wyobrazić jako takie równoległe procesowanie informacji. Może podam taki prosty przykład: jeżeli mamy - przypuśćmy - sprawdzić, czy jakaś duża liczba dzieli się przez jedną, czy drugą, ma jakieś dzielniki, trzeba by teoretycznie zadać taki prosty algorytm, czy się dzieli przez 2, 3, 5, 7 i tak dalej. A kwantowo można sobie wyobrazić, że możemy skonstruować taki stan, że wszystkie możliwości są jakby testowane na raz.

I komputer kwantowy tak naprawdę jest przede wszystkim, w swej zasadzie, w swym pomyśle, szybszy od klasycznego? Czy jeszcze może mieć jakieś dodatkowe zalety?

Może taka uwaga. Nie jest szybszy, tylko wykonując tę samą liczbę operacji, jest w stanie inaczej przetwarzać informacje i osiągnąć wynik znacznie szybciej, gdyż problem, który wymaga np. miliarda operacji klasycznie, może być zredukowany do innego problemu, który wymaga tylko - przypuśćmy - milion albo tysiąc operacji kwantowych.

I to dzieje się szybciej, po prostu szybciej.

Nie dlatego, że szybciej liczy, tylko do rozwiązania problemu wystarczy mu mniej elementarnych operacji niż komputerowi klasycznemu.

I potem jeszcze dobrze byłoby, żeby się nie mylił i nie zdesynchronizował.

Tak. Nie zdekoherował. Do tego służy tzw. korekcja błędu czy kwantowa korekcja błędu, czy - inne słowo - mitygacja błędu, kiedy chcemy, żeby te błędy jakoś nie psuły naszej informacji. I właśnie nad tym ludzie pracują. A teraz moja praca to nie jest bezpośrednio praca w informacji kwantowej sensu stricto, ale w bardziej takich podstawach matematyczno-fizycznych, które na celu mają zrozumienie, jakie struktury, które byłyby ciekawe z punktu widzenia informacji kwantowej, są możliwe, istnieją, a jakie nie.

Co będzie miarą sukcesu Pana pracy? Jak się ten grant rozlicza?

To bardzo trudne pytanie. Oczywiście miarą sukcesów w pracy naukowej są wyniki, a także - trzeba przyznać - dobre publikacje. Nam nie zależy już tak bardzo na tak zwanych punktach ministra jednego czy drugiego, które się zmieniają. Nam zależy rzeczywiście, żeby dobre wyniki uzyskać, publikować je w dobrych pismach. No i tutaj dodam tylko, że jakoś moje dotychczasowe osiągnięcia były uznane za ciekawe i przekonywające, skoro taki grant otrzymałem. Rzeczywiście, w ciągu ostatnich 5 lat miałem cztery prace w bardzo prestiżowym w piśmie "Physical Review Letters" i te prace były jakoś trochę z sobą związane, trochę pokazywały szerokość moich zainteresowań. Mam więc nadzieję, że uda się uzyskać dalsze ciekawe wyniki i pokazać, że i w Polsce, a szczególnie w Krakowie, da się uzyskiwać wyniki z fizyki teoretycznej na skalę światową.

I tu dochodzimy do momentu, w którym te wyniki, te prace, osiągnięcia i to wszystko, co się sobą reprezentuje jako naukowiec, jeszcze nie wystarczają, żeby dostać taki grant. Trzeba nad tym mocno popracować i to jest praca nawet przez kilka miesięcy.

No i troszkę trzeba mieć szczęścia, ale samo szczęście nie wystarczy. W moim przypadku było to tak, że ja kiedyś miałem okazję - i zaszczyt, i honor - brać udział w ocenianiu podobnych wniosków - może troszkę innych - o granty wiele lat temu. Wtedy zorientowałem się, że absolutnie nie mam żadnych szans, żeby startować w takim konkursie. To było prawie 10 lat temu. A to dlatego, że moje wyniki wówczas były absolutnie nieporównywalne z tymi najlepszymi, z którymi startowali koledzy z innych krajów. Co więcej, zobaczyłem wtedy, jak nie należy pisać wniosków. Niestety, ze smutkiem stwierdziłem, że dużo wniosków z Polski czy krajów Europy Środkowo-Wschodniej było po prostu słabszych od tych pisanych na Zachodzie. Dlaczego? Łatwo odpowiedzieć na to pytanie. Zaczynaliśmy swoją karierę naukową w czasach minionego systemu, nie mieliśmy możliwości wyjeżdżać za granicę. Publikowaliśmy często w pismach lokalnych i trudno było oczekiwać, żebyśmy mieli taki dorobek i takie CV jak moi rówieśnicy na Zachodzie. Teraz się to powoli zmienia i cieszę się, że młodzi ludzie, w pokoleniu doktorów, umieją, a przynajmniej próbują pisać coraz lepsze wnioski o granty i coraz więcej tych grantów, chociażby właśnie ERC dla młodych ludzi, do Polski przychodzi.

Jak pomóc polskim naukowcom w tym, żeby mieli większe szanse? Czy trzeba napisać podręcznik, a może nawet taką broszurę krótką na ten temat? Czy może są inne mechanizmy, jak zwiększyć szanse?

Broszury pewnie nie należy pisać. Każdy, kto się tym interesuje, wie co robić, a czego nie robić. Tutaj bym skorzystał z zasady medycznej "primum non nocere", przede wszystkim nie przeszkadzać, ale także pomagać przez znoszenie barier administracyjnych, przez wsparcie i na szczeblu uniwersytetu przy pisaniu wniosku, i na szczeblu uniwersytetu, przy np. dawaniu zniżki w liczbie godzin dydaktycznych, czy na szczeblu ministerstwa w przyznawaniu grantów dla tych, którzy przeszli do drugiego etapu kwalifikacji. I to się powoli dzieje. Trzeba przyznać, że bynajmniej nie będę narzekał ani ministerstwo. Już jest punkt kontaktowy na skalę ogólnopolską, gdzie powoli, powoli uczymy się, jak przygotowywać startujących w takich konkursach, którzy zakwalifikowali się do drugiego etapu, do ich "interview". I teraz te wyniki powoli, powoli się polepszają. W tym sensie, że nie ma już zera. Te liczby stają się silnie dodatnie. Chociaż trzeba powiedzieć jasno, że wszystkie granty ERC, które Polska uzyskała od roku 2007, to jest mniej niż 90 grantów, a taki nie najważniejszy przecież uniwersytet na świecie, np. w Leuven w Belgii, gdzie miałem kontakty, miał ich już 150. Pokazuje to, że jeden uniwersytet belgijski ma więcej grantów ERC niż cała Polska. To daje do myślenia, dlaczego tak jest. Po pierwsze, jak mówiliśmy, ci ludzie na Zachodzie od dawna mieli okazję jeździć do najlepszych ludzi na świecie czy w Europie i wspólnie pisać prace. I mają te CV bogatsze i lepsze. Po drugie, uczyli się od dawna pisać podania i wnioski grantowe. Powoli się to zmienia. Jeszcze raz podkreślę wspaniałą rolę, jaką spełnia Narodowe Centrum Nauki właśnie w Polsce, w Krakowie, które powstało troszkę na wzór ERC i takie konkursy grantowe dla Polaków prowadzi. I powoli, powoli uczymy się i pisać dobre wnioski, i recenzować, i ciągle je poprawiać tak, żeby stały się konkurencyjne w skali nie tylko Polski, ale w skali europejskiej.

No to teraz zapytajmy o praktyczne sprawy. Grant się rozpoczyna. Co w związku z tym pan jako ten, który dostał ten grant, musi zrobić, z kim umowy podpisać i do czego się zobowiązać? Co wytargować od macierzystej uczelni?

No może nie trzeba targować. Ja się cieszę ze wsparcia mojej uczelni, czyli Uniwersytetu Jagiellońskiego, która robi, co może i mi pomaga. Na razie sprawy administracyjne, które za mnie prowadzi. Przez wakacje były skomplikowane, ale nie tak bardzo, negocjacje. Podpisywaliśmy jeden dokument, jeden aneks. To wszystko na zasadzie prawnej jest sprawdzane, podpisywane przez dziekanów, rektorów, przez agencję w Brukseli. I te sprawy powoli idą do przodu. I właśnie mam nadzieję, że jeszcze w tym roku otrzymam pierwsze euro - może jedno, może więcej - z Brukseli. I tak naprawdę poczuję, że grant wystartuje, kiedy pierwsze euro dostanę, a później je wydam.

Ilu współpracowników będzie pan profesor miał w trakcie tego tych 5 lat? Może nie przez cały czas taką samą liczbę. Jak to będzie wyglądało?

To się będzie troszkę zmieniało, ale między czterech a siedmiu. Po kolei będzie dwóch, a później trzeci doktorant i będzie też czterech badaczy po doktoracie na krótkie pobyty. To oczywiście się będzie troszkę zmieniać i na szczęście - tu przyznam - że Europejska Agencja Badań Naukowych pozwala na pewną dowolność, w którym momencie kogo będę mógł zatrudnić w zależności od rozwoju konkursów. Będę teraz miał przyjemność, ale także obowiązek, ogłosić konkursy o te etaty na skalę całej Europy, powołać komisję, która wnioski będzie analizować. I będę chciał najlepszych kandydatów zatrudnić w Krakowie i będę się cieszył, że te pieniądze z Brukseli spłyną do Krakowa. I będziemy mieli, mam nadzieję, mądrych ludzi, którzy będą pracowali nad ciekawymi problemami w Krakowie.

Karol Życzkowski jest profesorem w Instytucie Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Jagiellońskiego. Pracuje także w Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk. Był stypendystą fundacji Humboldta w Niemczech oraz Fulbrighta w Stanach Zjednoczonych. Prowadził roczny projekt badawczy w kanadyjskim Perimeter Institute w Waterloo. W latach 2019-2023 był dyrektorem Krajowego Centrum Informatyki Kwantowej w Gdańsku. Od 2014 roku jest członkiem Academia Europaea. Cztery lata temu został członkiem Polskiej Akademii Umiejętności, a dwa lata temu - Polskiej Akademii Nauk. Obecnie pełni funkcję prezesa Oddziału PAN w Krakowie.

Do jego osiągnieć naukowych należy analiza geometrii zbioru stanów splątanych i wprowadzenie miary kwantowego splatania zwanej "negativity", konstrukcja entropii dynamicznej układu kwantowego opartej o stany koherentne, podanie entropowych relacji nieoznaczoności sformułowanych przy pomocy majoryzacji wektorów, wprowadzenie odległości Monge'a powiązanej z zagadnieniem transportu do zbioru stanów kwantowych oraz konstrukcja absolutnie maksymalnie splątanych stanów układu czterocząstkowego powiązanych z rozwiązaniem kwantowego odpowiednika problemu 36 oficerów Eulera.

Ma także na koncie prace matematyczne dotyczące zakresu numerycznego operatora, zespolonych macierzy Hadamarda, a także teorii wyboru społecznego. Jest współautorem pracy podającej oszacowanie optymalnej wartości progu większości kwalifikowanej w systemie Penrose’a głosowania dwustopniowego, wykorzystane w autorskim systemie głosowania w Radzie Unii Europejskiej. Jego pokrewna praca na temat podziału mandatów w Parlamencie Europejskim była publikowana w 2017 roku w briefingu "The Composition of the European Parliament". Współautor monografii dotyczącej mechaniki kwantowej "Geometry of Quantum States", a także książek "Każdy głos się liczy" i "Narciarstwo Wysokogórskie w Polskich Tatrach Wysokich".

Grant prof. Karola Życzkowskiego jest 85., który będzie realizowany w Polsce.