...
ITIM – Catalizator al Transformării Cuantice Românești
Concomitent cu revoluția tehnologică în domeniile Big Data și AI, are loc așa-numita a doua revoluție cuantică, a cărei importanță pe termen mediu și lung, în condițiile digitalizării accelerate a societății și a nevoii tot mai mari de securitate la nivel global, nu poate fi neglijată. Progresul accelerat și potențialul imens al tehnologiilor cuantice la nivel mondial au determinat Institutul pentru Tehnologii Izotopice și Moleculare (ITIM) Cluj-Napoca să formeze Echipa de Inginerie Cuantică, prima de acest fel din România. Activitatea grupului dedicat din cadrul ITIM s-a concentrat în ultimii ani pe dezvoltări experimentale, de capabilități și de servicii cu valoare adăugată în domeniul tehnologiilor cuantice. Această poziționare clară și vizionară permite acum Institutului din Cluj-Napoca să participe în prima linie a unor inițiative strategice naționale, precum construcția primei rețele cuantice românești, urmând ca în viitorul apropiat să poată oferi cursuri și certificări în domeniul tehnologiilor cuantice. Pe parcursul articolului de copertă prezent, descoperim cele mai importante preocupări ale ITIM Cluj-Napoca în domeniu și proiectele majore la care participă, modul în care a reușit să devină un driver-cheie al „Transformării Cuantice Românești”.
Pe drumul dezvoltării primei rețele de comunicații cuantice românești
RoNaQCI este in acest moment cea mai mare inițiativă de dezvoltare a tehnologiilor cuantice din România. Proiectul își propune să lege principalele centre universitare ale țării printr-o rețea de comunicații cuantice. Proiectul este coordonat de UPB si are peste 30 de parteneri, dintre care menționăm ITIM, UTCN sau UBB în Cluj-Napoca, UPB, UB, IFIN-HH, IMT în București, RoEduNet. Acest proiect este finanțat cu 5 milioane de euro de Comisia Europeană și cofinanțat de Guvernul României cu aceeași sumă.
Alte inițiative mari in domeniul tehnologiilor cuantice sunt proiectul QTSTRAT pentru elaborarea Strategiei pentru Dezvoltarea Capabilităților Naționale în Domeniul Comunicațiilor Cuantice si proiectul QUANTEC pentru construirea primului Centru Național de Referință în Domeniul Comunicațiilor Cuantice
Ultimii trei ani au marcat și o schimbare de paradigmă în dezvoltarea tehnologiilor cuantice în România. Dacă la început, eforturile micii comunități românești s-au concentrat pe dezvoltarea informației cuantice ca știință în România, mai ales pe plan teoretic, ultimii 5 ani au fost martorii primelor dezvoltări experimentale și încercări de transfer pe piață. Mai mult, odată cu primele investiții CDI, comunitatea de tehnologie cuantică din România a fost pentru prima dată reunită sub umbrela unor colaborări mai mari, care au implicat atât institute de cercetare și universități, cât și companii cu scopul de a dezvolta și comercializa produse sau oferi servicii în domeniu.
Un lucru similar s-a întâmplat la o scară mai mare la nivel internațional. La început, informația cuantică a fost studiată ca un subiect pur teoretic, legat mai mult de natura fundamentală a mecanicii cuantice, pentru ca apoi, vizionari cum au fost câștigătorii premiului Nobel din anul 2022 să reușească să exploateze comportamentul straniu al materiei cuantice în laborator. De acolo, transformarea științei în dispozitive care astăzi revoluționează tehnologia a fost doar un pas logic.
Aceste dezvoltări au fost urmate la a o scară mai mică și de către ITIM, unde un grup de cercetători din Institut a format ceea ce este astăzi Echipa de Inginerie Cuantică. Dacă, la început, activitatea echipei era concentrată strict pe aspecte teoretice ale calculului cuantic, mai târziu, cu sprijinul conducerii ITIM activitatea echipei a căpătat o puternică componentă de dezvoltare experimentală axata pe construirea de dispozitive utilizate in comunicații cuantice. Acest lucru a fost posibil în mare parte datorită suportului necondiționat al unor colegi din departamentul CETATEA, un departament cu o valoroasă componentă de inginerie electronică.
Direcția de cercetare în domeniul calculului cuantic a fost finanțată printr-un proiect național de tip PCCDI până în 2022 și prin primul proiect european Quantera câștigat în România, care este încă în curs de derulare până la finalul anului viitor. Activitatea în cadrul acestui proiect este focalizată pe aspecte legate de știința materialelor și designul biților cuantici, sau qubiți, bazați pe circuite supraconductoare și joncțiuni Josephson din materiale precum aluminiul granular. Aceste activități oferă suportul computațional pentru designul de noi qubiți supraconductori de calitate mai bună, pentru procesoare cuantice. Echipele implicate în proiect fac parte din institute și universități cu tradiție, cum ar fi Institutul de Tehnologie din Karlsruhe, Institutul de Optică Cuantică și Informație Cuantică din Innsbruck, sau Institutul de Fizică a Energiilor Alternative din Spania și Școala Normală Superioară din Franța, și sunt susținute cu echipamente de măsură și control de compania Quantum Machines din Israel. Obiectivul proiectului este ca până la finalul său să fie construit un procesor cuantic bazat pe qubiți supraconductori cu corecție de erori.
Spre deosebire de soluțiile comerciale oferite de companii ca Google, IBM și D-Wave, acest procesor va implementa moduri inovative de a corecta erorile inerente procesării informației cuantice. Qubiții utilizați vor avea design-uri noi, cu stabilitate crescută la zgomot și o fidelitate mai mare a porților cuantice și a citirii informației. Acest lucru va permite împingerea limitei curente pentru numărul de qubiți pe procesor dincolo de limita actuală de 433 qubiți a procesorului IBM Osprey. Această limită este deja o realizare considerabilă, mai ales în comparație cu alte implementări ale procesoarelor cuantice programabile bazate pe ioni în capcane electromagnetice, atomi reci sau fotoni. Procesoarele cuantice comerciale sunt deja folosite de diverse companii pentru a rezolva probleme de la optimizarea traficului (Volkswagen, Lockheed) și optimizări de portofoliu (Goldman Sachs) până la optimizarea modelelor AI (Microsoft, Amazon, Google) sau simulări cuantice pentru design de materiale și descoperire de medicamente (QSimulate, Zapata, ProteinQure). Totuși, aplicația cea mai importantă, din punct de vedere al securității cibernetice, factorizarea, este încă limitată de dimensiunea, conectivitatea și stabilitatea procesoarelor cuantice existente.
Începând cu 2023, ITIM participă la proiectul RoNaQCI menționat mai sus. Proiectul se va finaliza cu construcția primei rețele cuantice românești, care ulterior va trebui să fie conectată cu rețele cuantice similare realizate în cadrul EuroQCI de către țările europene. ITIM va opera un nod de comunicații cuantice prin care va putea transmite date criptate cuantic și testa echipamente de comunicații cuantice împreună cu partenerii din proiect. În afara de testarea echipamentelor, ITIM va oferi în cadrul RoNaQCI Quantum Hub, înființat anul acesta în institut, cursuri și certificări în domeniul tehnologiilor cuantice și va participa la dezvoltarea de software pentru gestionarea rețelelor de comunicații cuantice.
Orientarea strategică a institutului și proiectele suport
Cu aproape doi ani înainte de începerea acestui proiect, ITIM a creionat o strategie proprie pentru dezvoltarea de capabilități în domeniul comunicațiilor cuantice și crearea unui ecosistem de CDI și de afaceri care pot susține asimilarea și adopția acestor tehnologii în România. Această strategie implică dezvoltarea de facilități proprii pentru construirea de dispozitive, lărgirea colaborărilor existente cu partenerii noștri din mediul academic și deschiderea de noi parteneriate cu actori din sectorul industrial cărora pot să le fie transferate rezultatele cercetării și, nu în ultimul rând, educarea viitoarei forțe de muncă în domeniu. Această strategie este, în mare parte, aliniată cu eforturile comunității de cercetare românești de a adopta tehnologiile cuantice.
Dezvoltarea unei capabilități în domeniul comunicațiilor cuantice a început prin construirea propriului laborator de optică cuantică. Acest laborator a fost construit de ITIM din fondurile proprii și din cele obținute în cadrul Proiectului Nucleu (2023-2027). În cadrul acestui proiect, ITIM s-a angajat atât să dezvolte o capabilitate pentru optică cuantică, cât și să deschidă noi tematici în domeniul calculului cuantic și al comunicațiilor cuantice.
Laboratorul nostru este construit in ideea construirii de dispozitive pentru comunicații cuantice, pornind de la componente disponibile comercial. În acest moment, echipa noastră dezvoltă o serie de dispozitive hardware pentru analiza impulsurilor rezultate din detecția unor pulsuri de lumină extrem de slabe, caracteristice unui număr mic de fotoni. Cheile criptografice cuantice sunt transmise cu astfel de pulsuri in care un singur foton codează un „0” sau „1” logic.
În cazul ideal, acești fotoni sunt separați unul de altul de un mic interval de timp, dat de viteza electronicii și care este, în general, în jur de o nanosecundă. Dar, în dispozitive, laserele pot emite unul sau mai mulți fotoni simultan sau pot să nu emită deloc. Este foarte important să determinăm numărul de fotoni dintr-un puls pentru a putea optimiza semnalul optic și funcționarea dispozitivelor QKD.
Pentru determinarea numărului de fotoni dintr-un puls, sunt analizate semnale electrice generate de la detectori comerciali. Folosirea de microcontrolere rapide este importantă pentru stabilirea rapidă a funcțiilor, care ne permite să implementăm un număr mare de programe, cum sunt numărarea de fotoni, analiza statistică a numărului de fotoni sau a duratei de timp dintre detecția succesivă a fotonilor, corelarea timpului de emisie a fotonului cu timpul de detecție etc.
Prin combinarea detectorilor comerciali cu numărătorul produs de noi, putem produce și programa module pentru numărarea fotonilor și/sau analiza intensităților de curent cu valori extrem de mici (de ordinul a 10-10 A) în funcție de necesitățile experimentului.
Sunt folosite microcontrolere pe 32 de biți, cu frecvențe de 600 MHz până la 1 GHz, în montaje proiectate la ITIM pentru a realiza interfața cu aparatura de detecție (e.g. semnal BNC, USB, Ethernet). Au fost realizate mai multe configurații geometrice pentru integrarea modulelor în alte dispozitive. Modulele sunt programabile via USB, conform necesităților specifice.
Numărătorii de impulsuri produși de ITIM pot fi utilizați atât în domeniul comunicațiilor cuantice cât și în domenii conexe care necesită procesarea automată a informației sau analiza surselor de lumină cu intensitate redusă (i.e. cu ordinea de mărime ce corespunde unui foton/puls, cu frecvențe de până la 70 MHz) prin asociere cu diverse tipuri de detectori.
Prin utilizarea capacităților de detecție și numărare a fotonilor dezvoltate în cadrul grupului, a devenit posibilă realizarea unui prototip QKD 100% original. Acesta este în curs de realizare, prima versiune funcțională urmând a fi disponibilă în cursul anului următor.
Al doilea proiect al ITIM început anul acesta este Transilvania Digital Innovation Hub (TEDIHT), un proiect european la nivel regional. Este condus de Transilvania IT Cluster și are în componentă 8 clustere și asociații profesionale reprezentând domenii ca IT și comunicații, materiale, energie, etc. De asemenea, marile universități din regiune, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, Universitatea Babeș-Bolyai, Universitatea de Medicină și Farmacie Iuliu Hațieganu, precum și institutul nostru, ITIM, sunt prezente în acest proiect. Obiectivul proiectului este de a crea premisele transformării digitale și creșterii nivelului de inovare pentru IMM-uri și organizații din sectorul de stat în regiunea de Nord-Vest a României prin rețeaua EDIH. În acest proiect, ITIM sprijină transformarea digitală în două domenii principale: acel al energiei și cel al tehnologiilor cuantice.
Misiunea ITIM în ceea ce privește tehnologiile cuantice este popularizarea acestui domeniu în mediul de afaceri, atât regional cât și național, și crearea unui ecosistem cuantic românesc în care participă atât organizații publice, cât și companii private. Din cei 87 de beneficiari publici și privați ai proiectului, cel puțin 7 vor beneficia atât de serviciile TEDIHT cât și de serviciile specializate ale ITIM în domeniul tehnologiilor cuantice.
Serviciile TEDIHT sunt oferite în cadrul a patru pachete de lucru. Primul pachet implică construirea de rețele și a unui ecosistem de afaceri prin evenimente informative, sesiuni de matchmaking și brokeraj, hackathon-uri bianuale, etc. În cadrul celui de-al doilea pachet, „testare înainte de investiție”, vor avea loc audituri digitale, iar clienții selectați vor avea acces la expertiză de afaceri și tehnologie, laboratoare și infrastructură pentru a dezvolta și testa produse inovatoare. În al treilea pachet de servicii, TEDIHT oferă training-uri și servicii de dezvoltare: managementul schimbării, abilități digitale avansate, transformare digitală, etc. Nu în ultimul rând, pachetul al patrulea oferă sprijin pentru transformarea digitală sub forma de mentorat în afaceri, dezvoltare de afaceri și atragerea de investiții.
În acest cadru, oferim servicii specializate în domeniul tehnologiilor cuantice după cum urmează: i) training în domeniul tehnologiilor cuantice, pornind de la noțiuni de bază și ajungând până la nivelul de laborator, ii) acces la expertiza specialiștilor, iii) acces la laborator pentru testarea și validarea de prototipuri, dispozitive și echipamente. Aceste servicii se înscriu în cele două domenii principale de expertiză ale ITIM și anume calculul cuantic și comunicațiile cuantice. În plus, oferim sprijin pentru accesarea de fonduri în domeniul tehnologiilor cuantice pentru clienții noștri din cadrul TEDIHT. Companiile care deja beneficiază de serviciile noastre sunt atât producători de software, cât și de hardware, cu interes în special în domeniul comunicațiilor cuantice.
Componenta educațională aactivității ITIM
ITIM, împreună cu Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, unul dintre principalii noștri parteneri, a construit un curs introductiv de informație cuantică, primul de acest fel din regiune. Acest curs se adresează studenților de la Facultatea de Automatizări și Calculatoare, dar și celor din cadrul Facultății de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației.
Ideea din spatele dezvoltării unui astfel de curs a fost să oferim viitorilor ingineri o introducere în domeniul informației cuantice care pune accent pe aspectele practice ale domeniului, punând pe locul secund aspectele teoretice care încă domină domeniul. Ca instrumente de educație folosim software-ul Quantum Odyssey scris de partenerii noștri de la Quarks Interactive si platforma de software cuantic Uranium, scrisa de colaboratorii noștri de la Transilvania Quantum. În viitor, plănuim sa oferim Uranium ca serviciu în cloud, disponibil gratuit pe platforma ITIM de cloud, care este in curs de finalizare.
În aceeași idee, certificările pe care le vom oferi în cadrul Quantum Hub-urilor înființate în cadrul RoNaQCI vor fi bazate pe cursuri cu o importantă componentă practică. În cadrul TEDIHT, mergem chiar mai departe cu training-urile oferite companiilor partenere, permițându-le reprezentanților acestora accesul în laborator la infrastructura și specialiștii noștri.
Dorințe și speranțe
În loc de încheiere, ar fi poate mai util să facem o listă de dorințe și speranțe pentru acest domeniu al tehnologiilor cuantice. Prima speranță este că la nivelul sectorului public se vor face mai multe investiții în infrastructura de cercetare. Aceste rețele cuantice naționale, cum este RoNaQCI, sunt precursoarele internetului cuantic, un internet practic invulnerabil la atacuri cibernetice. Un astfel de internet ar securiza de la datele personale la comunicațiile guvernamentale sau la grid-ul electric. De asemenea, sperăm că va exista o înțelegere la nivelul atât al decidenților din sectorul public, cât și al companiilor private, că tehnologiile cuantice au un potențial imens de a aduce valoare adăugată. Va exista, sperăm, mai mult sprijin pentru micile întreprinderi și startup-urile din domeniu. Un astfel de sprijin ar putea veni ca parte a unui program național integrat în programele europene.
A doua revoluție cuantică: fundament, investiții, motivații
Pilonii tehnologici ai acestei a doua revoluții cuantice sunt: i) calculul cuantic și simulările cuantice; ii) comunicațiile cuantice; și iii) senzorii cuantici și metrologia cuantică. Atât calculul cuantic, cât și comunicațiile cuantice se bazează pe biți cuantici sau qubiți, care sunt sisteme naturale sau artificiale ce prezintă proprietăți cuantice. Astfel de sisteme trebuie să fie controlabile. Aceste sisteme sunt fie particule (ioni, fotoni etc.), fie sisteme artificiale, cum ar fi rezonatoarele cuantice sau qubiții bazați pe joncțiuni Josephson (supraconductor-metal-supraconductor).
În procesoarele cuantice moderne, cum este cel de la IBM, acești qubiți sunt manipulați cu ajutorul pulsurilor de microunde. Datorită unor fenomene ca entanglementul și superpoziția, proprii sistemelor cuantice, qubiții din procesoarele cuantice au un comportament colectiv. Adică, mai mulți astfel de qubiți, ca urmare a aplicării unor porți cuantice care îi accesează simultan, ajung să se comporte ca un singur obiect cuantic. Numărul de stări în care se poate afla acest nou obiect cuantic, compus din mai mulți qubiți, crește exponențial cu cel al qubiților componente. Când un algoritm cuantic are nevoie de un spațiu mare de calcul, el creează astfel de stări mixte de mai mulți qubiți și explorează simultan toate posibilele astfel de stări, proprietate numită paralelism cuantic. Paralelismul cuantic este ceea ce garantează o viteză exponențială de calcul și un spațiu computațional care crește exponențial cu numărul de qubiți pentru unii algoritmi cuantici, inclusiv pentru Algoritmul lui Shor de factorizare, discutat mai jos.
Această viteză exponențială este motivul pentru care, odată ce procesoarele cuantice cresc suficient, acestea devin un instrument foarte puternic pentru penetrarea rețelelor de informație. Pentru a evita acest lucru, a luat naștere disciplina comunicațiilor cuantice. În aceste rețele, qubiții cei mai întâlniți sunt fotoni, sau particulele de lumină componente ale unor pulsuri laser. Cheile criptografice codate în aceste particule sunt transmise folosind protocoale cuantice, care sunt necondiționat sigure, evitând astfel interceptarea și decriptarea chiar și de către un computer cuantic.
Parerea ta conteaza: 
