Revista >> Noiembrie 2021 [Nr. 239] >> Top Story

ITIM, în avangarda tehnologiilor cuantice

Dr. Liviu P. Zarbo – ITIM Cluj-Napoca

19 Noiembrie 2021

Cercetarea în domeniul informaţiei cuantice a fost demarată în Institutul pentru Tehnologii Izotopice și Moleculare (ITIM) din Cluj-Napoca încă din 2017, de un mic grup de cercetători, cu experienţă vastă în domenii complementare informaţiei cuantice, ca spintronica, teoria stării condensate, transport cuantic şi chimie cuantică. Doi ani mai târziu, s-au alăturat grupului specialişti în optică, laseri şi electronişti, iar, cu un an în urmă, a fost formată Echipa de Inginerie Cuantică, prima de acest fel în România. Decizia grupului de-a intra într-un nou domeniu de cercetare, abandonând direcţii de cercetare pe care membrii acestuia le urmaseră cu succes pâna atunci, a fost inspirată de dezvoltarea spectaculoasă din ultimii câţiva ani a domeniului.

Domeniul tehnologiilor cuantice trece printr-un un moment foarte similar cu celal dezvoltării primelor aparate de zbor. Ca şi atunci, în urmă cu ceva mai mult de un secol, marile puteri ştiinţifice şi tehnologice se luptă pentru supremaţie într-un domeniu emergent. Doar că, de data aceasta este vorba de supremaţie cuantică şi despre internetul cuantic.

Progresul accelerat al domeniului informaţiei cuantice atât la nivel teoretic, cât şi experimental, a fost consecinţa directă a avansului micro- şi nanotehnologiilor, a nanoelectronicii şi nanofotonicii şi a multor alte domenii conexe care au creat premisele pentru detecţia şi controlul stărilor cuantice la nivel de atom individual. Tehnicile noi de măsurare şi de manipulare coerentă a sistemelor cuantice, precum şi progresul înregistrat în înţelegerea şi minimizarea decoerenţei cuantice fac posibile tehnologiile cuantice de astăzi. Programele de cercetare-dezvoltare demarate de marii actori naţionali disting patru clase de tehnologii cuantice: calcul cuantic, simulări cuantice, comunicaţii cuantice şi metrologie şi senzori cuantici.
Apariţia acestor noi tehnologii marchează sfârşitul erei mezoscopice în domeniul procesării informaţiei, era în care, miniaturizarea continuă şi îmbunătăţirea dispozitivelor componente ale procesoarelor şi memoriilor clasice a condus la explozia ştiinţifică şi tehnologică din industria IT. Practic, la fiecare doi ani, respectând întocmai faimoasa lege a lui Moore, capacitatea de procesare pe centimetru pătrat de procesor s-a dublat. Dar, concomitent cu creşterea rolului dispozitivelor electronice în viaţa de zi cu zi, a apărut un set nou de provocări, specific acestei noi ere a informaţiei, la care societatea trebuie să raspundă. Probabil cea mai importantă întrebare, legată de această eră digitală este cum poate fi păstrată integritatea sistemelor informatice, în faţa exploziei ameninţărilor cibernetice. O altă întrebare importantă este cum se poate reduce amprenta energetică a sistemelor de calcul actuale. Deja, centrele de date, reţelele informatice şi consumatorii individuali consumă aproape 10% din energia produsă la nivel mondial şi sunt şanse mari ca, până în 2030, aceasta cifră să se dubleze. Şi o a treia întrebare, cu importanţă pentru dezvoltarea ştiinţei şi tehnologiei pe termen lung, este cum s-ar putea trece de limitele fizice ale modelului actual de procesare a informaţiei, pentru a descătuşa potenţialul tehnologic al domeniului cuantic.
Aceste întrebări au stat la originea formării Echipei de Inginerie Cuantică din ITIM şi a acţiunilor întreprinse de către ITIM pentru dezvoltarea acestui domeniu în România. O a patra întrebare, specifică ţării noastre, a fost care este cea mai bună strategie pentru a dezvolta domeniul tehnologiilor cuantice în România? Care este viziunea pentru România?

Tehnologiile cuantice ca tehnologii de suveranitate
Pentru a putea da un răspuns acestei întrebari, este important de înţeles contextul internaţional şi poziţia României în acest context. În primul rând, ce motivează factorul politic să susţină dezvoltarea tehnologiilor cuantice, iar în al doilea rând, care sunt industriile care au nevoie de aceste tehnologii noi şi care este piaţa actuală. Fiecare stat dezvoltat a lansat deja programe pentru a crea şi susţine o industrie cuantică.
Investiţiile în aceste programe au început încă din anii 2000, dar, în ultimii trei ani, au fost demarate programe totalizând miliarde de dolari. SUA a semnat în 2018 National Quantum Initiative (peste 1 miliard de dolari) iar Uniunea Europeană a lansat Quantum Flagship (1 miliard de euro) si EuroQCI (2 miliarde de euro), ultimul cu scopul de-a construi o reţea de comunicaţii cuantice pan-europeană, care să devină, mai târziu, internetul cuantic. Aproape toate ţările UE au programe de tehnologii cuantice, cu investiţii de la zeci de milioane de euro (Ungaria) pâna la 1,8 şi 2 miliarde de euro (Franţa şi Germania, respectiv), investiţii începând cu 2021. Însă nu doar ţările NATO investesc masiv în acest domeniu. Programele Rusiei şi Indiei prevăd investiţii în cercetare de peste 1 miliard de dolari, fiecare. Probabil cel mai puternic program de cercetare-dezvoltare în domeniu este cel al Chinei, care investeşte masiv, atât în calcul cuantic, cât şi în comunicaţii cuantice, investiţiile fiind estimate la peste 10 miliarde de dolari.
Dar, chiar şi fară aceste investiţii publice, tehnologiile cuantice sunt deja pe piaţă şi există deja un ecosistem cuantic, care este principala premisă pentru dezvoltarea domeniului. Piaţa de tehnologii cuantice este dominată de companiile din America de Nord (SUA şi Canada), fiind urmate de companiile din Asia de Sud-Est şi de cele britanice şi europene. Aceste companii produc procesoare cuantice, software cuantic, echipamente pentru comunicaţii cuantice, senzori cuantici şi oferă servicii cum ar fi accesul la calculatoare şi simulatoare cuantice, modelarea pieţelor financiare, inteligenţa artificială bazată pe algoritmi cuantici, securitate cibernetică cuantică, modelare moleculară pentru medicamente, instalare de reţele cuantice, securizarea cuantică a reţelelor de telefonie mobilă, etc.
Printre companiile care produc procesoare cuantice se află startup-ri ca Rigetti, IonQ, D-Wave, PsiQuantum, dar şi giganţi IT ca Google, IBM, Intel, Microsoft sau Amazon. Clienţii acestor companii sunt atât companii software, cât şi companii din sectoare ca aviaţia, cum sunt Lockheed şi Boeing, producători de automobile, ca Volkswagen, companii din industria chimică şi farmaceutica ca Pfizer, Novartis,
Biogen, sau din sectorul bancar, cum este
Goldman-Sachs.
Începând cu 2003, când DARPA a instalat prima reţea de comunicaţii cuantice, sunt dezvoltate astfel de reţele în ţările avansate tehnologic, cum sunt SUA, Marea Britanie, Germania, Austria, Japonia, în scopul testării echipamentelor şi sistemelor de comunicaţii cuantice. Aceste echipamente şi sisteme sunt dezvoltate de universităţi şi institute de cercetare, startup-uri ca KetsQuantum, sau mari companii ca Toshiba, Huawei sau IDQuantique şi sunt instalate, de obicei, cu ajutorul marilor operatori telecom. De exemplu, Coreea de Sud a reuşit să-şi securizeze întreaga reţea 5G folosind sisteme de distribuţie de chei cuantice. China este, însă, cel mai mare investitor în domeniu şi urmăreşte sa devină impenetrabilă informatic în următorii cinci-zece ani. Reţeaua cuantică chineză totalizează 4600 km, conectează marile oraşe între Beijing şi Shanghai, are sute de noduri intra-city, două conexiuni prin satelit, iar investiţia este estimată la un miliard de dolari.
Însă, toate acestea, nu explică de ce România nu ar aştepta până când tehnologiile cuantice sunt standardizate şi ferm stabilite pe piaţă, pentru a le importa mai târziu. Răspunsul este că tehnologiile cuantice sunt tehnologii de suveranitate, iar motivaţia principală pentru investiţiile masive care se fac în prezent, la nivel de stat, este strategică. Procesoarele cuantice sunt speciale pentru că pot rezolva anumite probleme de complexitate exponenţială, care nu sunt accesibile calculatoarelor clasice. Printre aceste probleme este factorizarea numerelor întregi, care stă la baza protocoalelor criptografice, utilizate pe scara largă în reţelele informatice. Este de aşteptat ca în următorii 5-20 de ani să existe procesoare cuantice suficient de puternice pentru a decripta majoritatea comunicaţiilor şi este de aşteptat ca prima ţară care reuşeşte să dezvolte astfel de procesoare să aibă un avantaj strategic major. Ca răspuns la această ameninţare emergentă a calculatoarelor cuantice şi la explozia criminalităţii cibernetice, care produce pagube anuale de aproape un trilion de dolari, se investeşte masiv în comunicaţii cuantice. Ca şi calculul cuantic, şi acesta e un domeniu de suveranitate, şi există o competiţie acerbă între marile puteri ale lumii pentru dezvoltarea de reţele securizate cuantic. În condiţiile unei economii digitale, vulnerabilitatea sistemului financiar, reţelelor de distribuţie de utilităţi, sistemelor de management al traficului, comunicaţiilor guvernamentale şi militare, în faţa atacurilor cibernetice pot fi fatale, mai ales în cazul unor conflicte cu alte state.

Cu alte cuvinte, România trebuie să investească masiv pentru a asimila şi a implementa tehnologii cuantice, în special cele de comunicaţii cuantice, pentru a putea contracara ameninţările la adresa intereselor sale strategice. Pentruaceasta, trebuie implementată o viziune a ceea ce ar trebui să fie cercetarea şi dezvoltarea în domeniul tehnologiilor cuantice.

La frontiera cercetării în domeniul tehnologiilor cuantice
Chiar dacă, atunci când a fost demarat proiectul ITIM de tehnologii cuantice, nu era foarte clar ce anume şi cum ar trebui făcut, pe parcurs s-a conturat o viziune proprie a institutului. În această viziune, domeniile prioritare sunt comunicaţiile cuantice şi calculul cuantic. Pornind de la această idee, s-au conturat trei direcţii de cercetare-dezvoltare majore: calcul cuantic cu qubiti supraconductori, comunicaţii cuantice şi software cuantic. Pentru a dezvolta aceste direcţii de cercetare, ITIM a format atât parteneriate cu instituţii publice, cât şi parteneriate public-private. Printre rezultatele acestor acţiuni se numără un proiect naţional realizat în consorţiu şi primul proiect internaţional în domeniul tehnologiilor cuantice câştigat de o instituţie din România.

Comunicaţiile cuantice sunt cel mai nou domeniu de interes în ITIM. Folosind resurse proprii, ITIM a dezvoltat propriul său laborator de optică cuantică, cu scopul de-a pregăti terenul pentru fabricarea de dispozitive şi echipamente pentru comunicaţii cuantice. Dispozitivele ţintă sunt generatoare de numere aleatoare şi sisteme de distribuţie de chei criptografice cuantice. Primele generează numere aleatoare utilizând o proprietate omniprezentă în lumea cuantica: superpoziţia. Celelalte distribuie chei cuantice generate aleator, care nu pot fi interceptate, folosind fotoni entanglaţi. Pentru a construi aceste dispozitive, ITIM a intrat în parteneriat cu Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca (UTCN), care are o experienţă vastă în domeniul electronicii şi al reţelelor de comunicaţii. Viziunea comună este de-a construi împreună dispozitive şi reţele cuantice test, care vor sta la baza reţelelor cuantice naţionale, care vor fi construite în cadrul EuroQCI, la care România este partener.
Calculul cuantic este prima temă largă de cercetare abordată în ITIM. Echipa ITIM este interesată, în primul rând, de hardware-ul specific procesoarelor cuantice. În informaţia clasică, se folosesc biți, care pot fi 0 si 1, ei reprezentând două stări distincte ale unui dispozitiv, cum este, de exemplu tranzistorul, pentru care stările închis/deschis înseamnă 0 şi 1. Dispozitivele cuantice pot şi ele avea stările 0 şi 1, dar sunt posibile şi stări de superpoziţie, în care 0 şi 1 intră cu anumite ponderi. Mai mult, aceste stări pot fi entanglate, sau inseparabile, două astfel de dispozitive putând fi simultan într-o stare 00 suprapusă unei stări 11, care este inaccesibilă în sisteme clasice. Aceste unităţi de informaţie cuantică se numesc qubiţi şi sunt implementaţi în mai multe tipuri de sisteme, cum sunt circuite supraconductoare, capcane ionice, atomi reci în reţele optice, etc. Interesul echipei ITIM este legat de construcţia de astfel de qubiţi, fizica materialelor care intră în nanodispozitivele componente ale acestora şi configuraţiile pentru care aceşti qubiţi sunt robuşti la zgomot şi pot fi manipulaţi mai uşor.

Primele proiecte naționale și internaționale
Cercetarea din acest domeniu a fost făcută în cadrul a două proiecte. Primul proiect a fost un proiect complex realizat în consorţiu, primul de acest fel realizat în România. Participanţii au fost IFIN-HH, INFLPR, IMT, UPB şi ITIM. Obiectivul ambiţios al proiectului era dezvoltarea tehnologiilor cuantice în România. Dincolo de cercetare, ale cărei rezultate au fost mult peste ceea ce prevazuseră partenerii, proiectul a fost atât ocazia de-a cristaliza prima colaborare din ţară, cât şi de-a contura o viziune comună pentru viitorul tehnologiilor cuantice în România.
În cadrul acestui prim proiect, echipa ITIM a investigat sisteme de qubiţi topologici. Deşi aceste sisteme sunt promiţătoare şi mari companii precum Microsoft investesc în dezvoltarea lor, datorită rezilienţei lor la zgomot, implementarea lor în procesoare cuantice este complicată de fizica complexă care împiedică detecţia şi manipularea stărilor acestora. Activitatea ITIM în cadrul proiectului s-a concretizat prin propunerea de metode noi de detecţie a stărilor qubiţilor topologici.
La puţin timp după demararea acestui prim proiect, ITIM a început colaborarea cu două centre de cercetare, Institutul de Tehnologie din Karlsruhe (KIT) şi Universitatea Sherbrooke din Canada. Scopul colaborării este îmbunătăţirea funcţionării qubiţilor realizaţi în circuite supraconductoare, fabricaţi la KIT. Qubiţi din această clasă sunt folosiţi în procesoare cuantice cum sunt cele fabricate de Google şi IBM. La început, echipa ITIM, care avea o experienţă de câteva decenii în domeniul simulării ab initio a proprietăţii materialelor, a propus investigarea aluminiului granular folosit ca material pentru superinductanţele din componenţa circuitelor qubiţilor. Această direcţie de cercetare este astăzi finanţată prin primul proiect internaţional în domeniul tehnologiilor cuantice, la care participă o instituţie din România. Acest proiect, realizat în colaborare cu parteneri din Germania (KIT), Franţa şi Israel, este un proiect de tip QUANTERA, parte din Flagship-ul Cuantic al Comisiei Europene. De asemenea, echipa ITIM a început să construiască instrumente teoretice pentru modelarea experimentelor cuantice realizate pe qubiţi supraconductori.

Dar, cercetarea fundamentală nu este singura activitate a echipei de inginerie cuantică. Începând cu 2019, echipa de inginerie cuantică a intrat în parteneriat cu Transilvania Quantum, un grup privat, care dezvoltă o platformă software Uranium pentru calcul cuantic. Platforma Uranium, găzduită de serverele ITIM, este în stadiul final de dezvoltare. Ea permite dezvoltarea de algoritmi cuantici şi testarea lor pe un simulator cuantic, care are capacitatea mai mare decât a altor simulatoare comerciale oferite de companiile din Europa şi America.
Un alt parteneriat public-privat este celcu Quarks Interactive, un start-up românesc care dezvoltă Quantum Oddyssey, unsoftware utilizat pentru dezvoltarea desoftware cuantic. ITIM foloseşte acest software ca instrument didactic pentru cursurile de informaţie cuantică.