Київський академічний університет провів робочу нараду «Квантові дослідження та освіта в Європі та Україні»

27-28 липня 2022 року Київський академічний університет (КАУ) організував та провів у режимі онлайн робочу нараду«Квантові дослідження й освіта в Європі та Україні».

Протягом двох днів 13 спікерів з України та 19 спікерів з 12 інших європейських країн представили свої дослідницькі та освітні ініціативи в галузі сучасної квантової науки та технології.

В Україні дослідження та освіта у сфері сучасних квантових технологій традиційно представлені невеликою кількістю наукових груп та освітніх програм. Очевидно, що Україна потребує серйозних зусиль для подальшого розвитку цієї діяльності, щоб відповідати викликам і можливостям Другої квантової революції.

В українських університетах існують дві освітні програми, пов’язані з сучасними квантовими технологіями. Програми бакалавра та магістра «Квантові обчислення та квантове програмування» презентувала професор Христина Гнатенко із Львівського національного університету імені Івана Франка. Ці програми пропонують студентам низку лекційних курсів, пов’язаних з різними аспектами квантових обчислень і квантової комунікації. Програми бакалавра та магістра «Квантові комп’ютери, обчислення та інформація» представив професор Ігор Дмитрук з Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Професор Олександр Кордюк з Київського академічного університету представив магістерські програми з фундаментальної та прикладної фізики, які включають курси з квантової інформації, квантових обчислень, квантової оптики та квантових матеріалів. Доктор Араселі Венегас-Гомес (Велика Британія) представила стартап-компанію QURECA Ltd., яка надає низку освітніх ресурсів у сфері сучасних квантових технологій. Освітню ініціативу QTEdu представив доктор Саймон Гурні з Орхуського університету (Данія). Відповідна спільнота квантової освіти включає 408 членів із 45 країн Європи. Метою QTEdu є формування людських ресурсів квантової спільноти. Доктор Гурні також обговорив ініціативи QTEdu щодо підтримки української квантової спільноти, що є важливим через війну з Росією. Доктор Абузер Якарілмаз з Університету Латвії представив ініціативу QWorld. Ця асоціація допомагає місцевим квантовим спільнотам у різних країнах організовувати свою діяльність через ініціативи під назвою QCousins. У доповіді , зокрема, обговорювалася можливість організації QUkraine.

Багато доповідачів приділяли особливу увагу європейським та вітчизняним квантовим програмам, які можуть бути відкритими для співпраці з українськими науковцями. Quantum Flagship — найвідоміша програма підтримки квантових досліджень і освіти в Європейському Союзі. Професор Томмасо Каларко, голова Quantum Flagship Community Network, представив огляд цієї програми, пояснивши також її досягнення та окресливши можливості участі українських науковців у відповідних дослідницьких проєктах. Професор Маріо Зіман з Інституту фізики Словацької академії наук представив ініціативи квантових досліджень у Словаччині. Під час цієї доповіді обговорювалося співробітництво, що вже існує, з українськими дослідницькими групами та були представлені перспективні можливості для нових спільних досліджень. Варто зазначити, що майже всі спікери у своїх доповідях презентували діяльність своїх закладів та обговорювали варіанти співпраці з українськими колегами.

Сучасні квантові технології неможливі без глибоких досліджень у багатьох фундаментальних галузях, що охоплюють фізику, математику, інформатику тощо. Професор Маркус Губер з Віденського технічного університету (Австрія) представив результати очолюваної ним групи в галузі квантової термодинаміки — багатообіцяльної галузі досліджень, що стосується основних аспектів квантової фізики, зокрема у глибокому зв’язку з проблемою вимірювання. Доктор Данило Якименко з Інституту математики НАН України представив діяльність цієї установи у вивченні основних математичних структур, необхідних для побудови нових квантових алгоритмів.

Дві доповіді були присвячені алгоритмам для квантових комп’ютерів. Професор Володимир Ткачук із Львівського національного університету імені Івана Франка (Україна) представив алгоритм розв’язання важливого класу математичних задач — знаходження власних значень операторів. Важливо відзначити, що ця робота також включає реалізацію цього дослідження на квантовому комп’ютері IBM. Павел Гора з Варшавського університету (Польща) представив квантовий алгоритм для розв’язання іншої математичної задачі, відомої як проблема маршрутизації транспорту, яка також має різні практичні застосування. Швидкий прогрес у галузі квантових комп’ютерів може призвести до втрати безпеки існуючої класичної криптографії. Є два можливі рішення цієї проблеми. Перше полягає у використанні квантових властивостей випромінювання для створення протоколів із безпекою, гарантованою законами квантової фізики. Іншим рішенням є розробка таких криптографічних протоколів, які будуть захищені від квантових атак. Останню можливість, а також ідеї поєднання квантової та класичної криптографії обговорив у доповіді професор Андреас Трюглер з Університету технологій Граца (Австрія). Результати квантових обчислень, як правило, нестійкі до різних шумів і недосконалостей квантових пристроїв. Зокрема, це пов’язано з шумом зчитування кубітів — операцією, яка перетворює квантову інформацію в класичну. Теоретичний розгляд цієї проблеми представив Філіп Мацеєвський з Центру теоретичної фізики Польської академії наук.

Світло — це зручна фізична система для проведення фундаментальних квантових експериментів. З цієї причини воно активно використовується в різних реалізаціях сучасних квантових технологій. Професор Радім Філіп представив керовану ним групу в Палацкому університеті в Оломоуці (Чехія). Проєкт з вивчення негаусівських станів світла та матерії включає багато фізичних систем, в тому числі квантове світло, іони в уловлювачах, надпровідні схеми тощо. У наших знаннях про такі стани ще існує багато прогалин. Водночас, його потенційні застосування охоплюють багато областей, як-от квантова криптографія, квантові обчислення тощо. Створення негаусових станів на вимогу є складним завданням, яке розглядається групою в Палацкому університеті в Оломоуці. Альтернативний підхід до генерації таких станів представив професор Марко Белліні з Національного інституту оптики (Італія). Він використовує недетерміновані методи додавання та віднімання одиночних фотонів. Застосовуючи їх до гаусівських станів, можна отримати негаусівські стани, демонструючи некласичність і заплутаність навіть для сильної взаємодії з навколишнім середовищем. Доктор наук Андрій Семенов започаткував теоретичні дослідження в галузі квантової оптики в Інституті теоретичної фізики ім. Боголюбова НАН України. Відповідна діяльність включає теоретичні описи для некласичних і нелокальних кореляцій, реалістичного фотодетектування та розподілу квантового світла в турбулентній атмосфері. Остання тема має важливе застосування до квантових комунікацій через канали вільного простору. Ці канали можуть бути використані для реалізації інтригуючої перспективи глобальної квантової комунікації через супутники. Професор Паоло Віллорезі з Університету Падуї (Італія) зробив доповідь про відповідні експерименти. Квантова комунікація у вільному просторі також була розглянута в доповіді доктора Франческо Бассо Бассета з Римського університету Сапієнца (Італія). Особливістю цього дослідження є те, що некласичне світло генерується джерелами квантових точок — нанорозмірними структурами в напівпровідниках. Практичні питання цього важливого класу джерел також детально розглянув професор Армандо Растеллі з Університету Йоганна Кеплера в Лінці (Австрія).

Світло як фізична система має багато важливих характеристик. Деякі з них тісно пов’язані з просторовою структурою випромінювання. Таке структуроване світло дозволяє нам вийти за рамки стандартного бінарного підходу до квантової інформації. Професор Мехул Малік з університету Геріот-Ватт (Шотландія) повідомив про експериментальні реалізації цих ідей для створення високоякісної заплутаності, транспортування таких станів у комерційних волокнах і побудови схем для квантових пристроїв. Професор Роберт Фіклер з університету Тампере (Фінляндія) також представив експериментальні дослідження своєї групи зі структурованими фотонами. Зокрема, повідомлялося про використання цієї техніки для квантових обчислювальних пристроїв і для отримання зображень із надвисокою роздільною здатністю. Останнє є прикладом використання електромагнітного випромінювання для задач квантової метрології. Подібною задачею є також протокол квантового підсвічування, який можна використовувати для побудови так званого квантового радара. Огляд цих досліджень зробив професор Костянтин Лукін з Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усікова НАН України.

Перспективним напрямком сучасних квантових технологій є квантове моделювання складної фізичної системи іншою, більш керованою. Системи з окремих атомів та іонів є перспективними кандидатами для створення таких квантових симуляторів. Професор Томмасо Каларко з Дослідницького центру Юліха(Німеччина) представив сутність техніки квантового контролю з прикладами її реалізації на спеціальних фізичних системах. Зокрема, це пов’язано з рідбергівськими атомами. Ці атоми збуджуються до дуже високих рівнів енергії, так що їхні електронні хмари стають мікроскопічними, що відрізняє їх від нанометрових масштабів звичайних атомів. Детальний розгляд цієї експериментальної методики представив професор Ігор Доценко з Коледжа Франції. Звичайні атоми та йони також успішно використовуються для квантового моделювання. Професор Андрій Сотніков з Харківського фізико-технічного інституту НАН України обговорив квантове моделювання з ультрахолодними атомними газами. Доктор Крістіан Марчініак з Університету Інсбрука (Австрія) представив квантові обчислення, моделювання та метрологію з атомами та іонами, поміщеними в спеціально розроблені електромагнітні уловлювачі. Атомні системи застосовуються для задач квантової метрології в Інституті фізики НАН України. Професор Анатолій Негійко представив відповідну діяльність, яка охоплює метрологію довжини, метрологію часу та гравіметрію. Професор Леонід Яценко з цього ж Інституту представив експериментальні та теоретичні роботи в очолюваному ним відділі. Відповідні теми включають зберігання та пошук квантової інформації в популяції атомних станів, оптичне щільне середовище для квантової пам’яті та джерела світла, а також внутрішньоволоконні джерела біфотонів.

Надпровідність – це явище, яке також активно використовується в сучасних квантових технологіях. Наприклад, його використовують для побудови надпровідних кубітів — основних структурних елементів універсальних квантових комп’ютерів. Професор Сергій Шевченко з Фізико-технічного інституту низьких температур НАН України обговорив фізичні основи таких систем. Використання надпровідних кубітів в електронних пристроях представив професор Володимир Шнирков з Київського академічного університету (Україна). Професор Віталій Шумейко з Технічного університету Чалмерса (Швеція) представив огляд досліджень квантових обчислень і моделювання за допомогою надпровідних схем у Центрі квантових технологій Валленберга в Чалмерсі. Надпровідність також використовується для реєстрації поодиноких квантів електромагнітного випромінювання. Огляд відповідних пристроїв зробив професор Михайло Бєлоголовський з Київського академічного університету (Україна).

Робоча нарада «Квантові дослідження та освіта в Європі та Україні», організована Київським академічним університетом, повністю досягла своїх цілей. По-перше, дослідники та освітяни з України познайомили один одного та європейських колег зі своїми програмами та результатами. Вони сформували повну картину відповідної діяльності в країні. По-друге, українські дослідники отримали інформацію про сучасні квантові дослідження в європейських країнах. Українські освітяни дізналися про європейські освітні ресурси, доступні для українських школярів. Зрештою, робоча нарада сприяла налагодженню особистих контактів між українськими та європейськими дослідниками, що обов’язково приведе до нових спільних проєктів.

Цей захід підтвердив тезу, що майбутнє буде квантовим, і показав як гігантський системний прогрес, який зробили європейські дослідники у розвитку квантових технологій, так і брак аналогічного системного підходу в Україні, який неможливо компенсувати силами кількох дослідницьких груп при відсутності необхідного фінансування. Тому квантове майбутнє України, як відзначив у заключному слові професор Олександр Кордюк, залежить переважно від молоді, теперішніх студентів, підготовка яких має бути найважливішою задачею для українських науковців.Освітні програми з квантових технологій, що були представлені у доповідях учасників, перелічені на сторінці семінару.

Читайте також: