Revista >> Decembrie 2022 [Nr. 250] >> Cercetare & Invatamant superior

INCDFM și tehnologiile cuantice

Dr. Lucian Pintilie, director stiintific INCDFM

13 Decembrie 2022

A doua revoluţie cuantică are la bază principiile fundamentale ale primei revoluţii, dar ţinteşte cu mult dincolo de cercetarea fundamentală, având ca obiectiv dezvoltarea tehnologiilor cuantice, respectiv manipularea şi controlul sistemelor cuantice individuale (fotoni, atomi, molecule, etc.). Istoric vorbind, prima aplicaţie a avut în vedere calculatorul cuantic, previzionat a fi capabil să rezolve probleme care nu pot fi soluționate cu calculatoarele clasice. Emergența calculatoarelor cuantice ridică însă probleme deosebite de securitate, în special în domeniul comunicaţiilor pe internet, acestea fiind capabile să „spargă” cele mai avansate sisteme de criptare utilizate în prezent. Ca urmare, următorul pas a fost de a dezvolta sisteme de comunicaţii cuantice, considerate a fi mai sigure decât sistemele clasice de comunicaţii, întrucât o eventuală intruziune a unei terţe persoane pe un canal de comunicaţii cuantice este imediat detectată deoarece schimbă starea cuantică a vectorului de transport al informaţiei (foton).

Nu este de mirare că marile puteri economice, cum ar fi SUA, China, Marea Britanie, Canada (şi nu numai), investesc sume considerabile în cercetare și sunt angajate într-o cursă acerbă pentru ceea ce se poate numi „supremaţia cuantică”. Uniunea Europeană încearcă de asemenea să ocupe o poziţie fruntaşă, lansând şi finanţând mai multe inițiative, cum ar fi Quantum Flagship (https://qt.eu/), programul Europa Digitală sau European Quantum Communication Infrastructure (https://digital-strategy.ec.europa.eu/en/policies/european-quantum-communication-infrastructure-euroqci).
În acest context, INCDFM a luat decizia strategică de a se implica în adoptarea şi dezvoltarea tehnologiilor cuantice la nivel național, implicare care se desfăşoară pe două direcţii: i) participarea la elaborarea strategiei pentru dezvoltarea capabilităților naționale în domeniul comunicațiilor cuantice, precum și la dezvoltarea primelor elemente de infrastructură de comunicații cuatice în România; ii) Dezvoltarea de materiale noi pentru tehnologii cuantice (de ex. surse [2] şi detectori de fotoni, heterostructuri bidimensionale).
Strategia naţională în domeniul comunicaţiilor cuantice face obiectul Proiectului Sectorial QTSTRAT demarat în 2021 (nr. 2 PS2/11.11.2021), în care INCDFM este partener alături de Universitatea Babeş Bolyai. În faza iniţială a proiectului s-au prezentat nivelul actual al comunicaţiilor cuantice pe plan naţional şi internaţional, precum şi tendinţele de dezvoltare viitoare. În prezent se lucrează la redactarea strategiei, aceasta urmând a fi finalizată în 2023. Un obiectiv asumat al proiectului QTSTRAT constă în dezvoltarea unei forţe de muncă specializată în comunicaţii cuantice și conştientizarea viitorilor utilizatori. În consecinţă, în cadrul INCDFM se are în vedere elaborarea unor cursuri/tutoriale dedicate platformelor fizice pentru tehnologii cuantice (de ex. calculatoare şi simulatoare cuantice) şi metodelor teoretice asociate.
INCDFM este implicat, în calitate de partener, şi în proiectul „Romanian National Quantum Communication Infrastructure” (RoNaQCI). Acest proiect, coordonat de către Universitatea Politehnica din Bucureşti, a fost recent acceptat pentru finanţare în cadrul programului Europa Digitală. Scopul lui este, pe de o parte, de a implementa primele elemente ale unei reţele naţionale de comunicaţii cuantice, şi, pe de altă parte, de a instrui resursa umană necesară dezvoltării comunicaţiilor cuantice în ţară. Nu în ultimul rând, proiectul îşi propune să popularizeze avantajele reţelelor de comunicaţii cuantice printre potenţialii utilizatori ai acestora, mai ales în ceea ce priveşte siguranţa datelor critice.
INCDFM, pe lângă implicarea în cele două proiecte menţionate anterior, intenţionează să îşi dezvolte propriul program intern de cercetare în domeniul materialelor susceptibile de a fi utilizate în tehnologii cuantice, utilizând resursele din viitorul Program Nucleu al institutului. În acest scop, INCDFM se bazează pe expertiza deja existentă în depunerea de straturi subţiri şi în producerea de nano-obiecte cu diverse forme (nanofire, nanobare, nanotuburi, etc., a se vedea şi imaginea de mai jos), dar şi în domenii precum materialele polare şi feroelectrice, care pot fi utilizate în construcţia de surse de fotoni pentru comunicaţii cuantice (ex. straturi subţiri epitaxiale de LiNbO3 polate periodic), sau în domeniul materialelor supraconductoare care pot fi utilizate fie pentru producerea „biţilor cuantici”, fie pentru producerea de detectoare de fotoni individuali (single photons, ex. nanofire supraconductoare).

Prin infrastructura pe care o are, şi prin expertiza cercetătorilor săi, INCDFM poate aborda şi alte tipuri de materiale şi structuri utile pentru tehnologii cuantice, cum ar fi centri de culoare în semiconductori de bandă largă (ex. diamant, carbura de siliciu sau nitrura de bor hexagonala), nanostructuri semiconductoare sau supraconductoare, şi materiale 2D.

Prin implicarea sa în producerea de materiale şi structuri pentru tehnologiile cuantice, INCDFM poate ajuta ca România să nu rămână doar un consumator de tehnologii produse în alte ţări, ci să devină un furnizor de tehnologii în domenii de mare viitor. Se poate obţine în acest fel un avantaj competitiv atât la nivel economic, cât şi la nivel de de resursa umană care rămâne să lucreze în ţară.

Rolul materialelor avansate în dezvoltarea TC
Tehnologiile cuantice (TC) sunt împărţite în patru categorii: (i) comunicaţii cuantice, (ii) calcul cuantic, (iii) simulatoare cuantice şi (iv) senzoristică cuantică. Fiecare tip de TC vizează domenii de aplicaţii cu impact societal considerabil. Astfel, comunicaţiile cuantice asigură securizarea transmiterii datelor cu ajutorul distribuţiei cuantice a cheilor de criptare (quantum key distribution - QKD), iar calculatoarele cuantice promit, în baza unor algoritmi ce implică un număr tot mai mare de „biţi cuantici”, rezolvarea unor probleme încă inaccesibile calculatoarelor clasice, precum şi simularea unor procese fizice complexe.

O caracteristică esenţială a TC este că acestea presupun manipularea gradelor de libertate asociate aşa-numitului bit cuantic (qubit). În cazul comunicaţiilor cuantice „bitii” de informaţie sunt fotonii, generaţi individual [1] sau în perechi corelate cuantic (entangled) de surse de lumină non-clasică, de „centri” de culoare implantaţi în materiale semiconductoare cu bandă interzisă largă, sau prin procese radiative (cascadă biexcitonică) în doturi cuantice active optic. Pe de altă parte, calculatoarele cuantice operează cu biţi „solizi” (solid-state qubits), de exemplu spini electronici confinaţi şi manipulaţi în doturi cuantice de siliciu sau în aşa-numitele circuite cuantice supraconductoare.

Dezvoltarea tehnologiilor cuantice la scară comercială depinde aşadar în mod esenţial de existenţa unor materiale şi dispozitive în care principiile mecanicii cuantice şi efectele acestora pot fi controlate până la nivelul funcţiilor de undă şi/sau al numărului de cuante de câmp fotonic/vibrațional. În fapt, progresele substanţiale înregistrate în ultimul deceniu în toate ramurile tehnologiilor cuantice au devenit posibile doar în urma dezvoltării unor metode tot mai precise şi sofisticate de preparare a materialelor cu dimensionalitate redusă sau de design al nanodispozitivelor.

Referinţe:
[1] Y. Arakawa and M. J. Holmes, Appl. Phys. Rev. 7, 021309 (2020).
[2] J. Zhao et al., High Quality Entangled Photon Pair Generation în Periodically Poled Thin-Film Lithium Niobate Waveguides, Phys. Rev. Lett. 124, 163603 (2020).w