Exact sciences [2021-08-10]

Otwarte układy kwantowe na START

— Żaneta Kopczyńska

Do pracy wystarcza jej komputer, kartka papieru i długopis. Wyniki badań dr Katarzyny Siudzińskiej z Instytutu Fizyki UMK, stypendystki programu START 2021, są imponujące – przyczyniają się do rozwoju kwantowego przetwarzania i przekazywania informacji, ważnej i popularnej dziedziny z pogranicza nauki i technologii.

Wśród setki tegorocznych laureatów programu START 2021 Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, których wyłoniono z grona 1034 kandydatów, znalazło się dwoje młodych naukowców z UMK: mg Robert Mirski z Wydziału Filozofii i Nauk Społecznych oraz dr Katarzyna Siudzińska z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej.

Jestem fizykiem teoretycznym badającym zagadnienia teorii otwartych układów kwantowych i kwantowej teorii informacji. W swojej pracy wykorzystuję zaawansowane metody fizyki matematycznej do analizy własności kwantowej dynamiki i kanałów kwantowych, takich jak wpływ efektów pamięci na ewolucję, zdolność kanałów do wiernego przesyłania informacji czy geometria zbioru odwzorowań kwantowych – tak sama przedstawia się dr Katarzyna Siudzińska. - Moje zainteresowania badawcze to uogólnienia kanałów Pauliego, bazy wzajemnie nieobciążone i pomiary symetryczne.

Dr Katarzyna Siudzińska, obecnie zatrudniona w Katedrze Fizyki Matematycznej, jest absolwentką dwóch kierunków na toruńskiej uczelni: w 2014 r. ukończyła fizykę teoretyczną, a w 2016 r. filologię angielską.

- Nie miałam wątpliwości, co do wyboru kierunku studiów – już w gimnazjum lubiłam bardzo matematykę, w liceum miałam świetnego nauczyciela fizyki, więc fizyka teoretyczna na UMK była dla mnie dość oczywista. Kolejny z moich kierunków studiów, filologia angielska, rozwinęła moje umiejętności językowe, co bardzo istotne, bo przecież angielski w działce nauki, którą uprawiam, jest językiem podstawowym – tłumaczy dr Siudzińska. – Dość wcześnie utwierdziłam się również w tym, że chcę zostać na uczelni, chcę rozwijać się naukowo – właściwie nie brałam pod uwagę innej ścieżki zawodowej.

Stopień naukowy doktora nauk fizycznych uzyskała w 2019 r., również na UMK. Jej rozprawa doktorska "Evolution of open quantum systems governed by unitarily covariant quantum channels", napisana pod kierunkiem prof. dr. hab. Dariusza Chruścińskiego, została wyróżniona w konkursie Krajowego Centrum Informatyki Kwantowej na najlepszą pracę doktorską w dziedzinie kwantowej informacji obronioną w 2019 r.

Była kierowniczką dwóch grantów Narodowego Centrum Nauki: ETIUDA 6 oraz PRELUDIUM 16. W ramach realizacji grantu ETIUDA odbyła półroczny staż na Uniwersytecie Technicznym w Dreźnie pod naukową opieką prof. Waltera T. Strunza. Na jej dorobek składa się 17 artykułów naukowych opublikowanych w uznanych czasopismach z listy filadelfijskiej.

Już na studiach magisterskich zainteresowały ją własności kanałów kwantowych i ich zastosowania.

W teorii informacji kwantowej kanał jest odwzorowaniem procesu kwantowego, przekształcającym stany wejścia na stany wyjścia. Zmiany stanów kwantowych mogą mieć charakter zarówno dyskretnych przeskoków, jak i ciągłej w czasie ewolucji – wyjaśnia dr Siudzińska. - Kanały kwantowe są powszechnie używane w kwantowym przetwarzaniu i przekazywaniu informacji – interdyscyplinarnej dziedzinie z pogranicza fizyki, matematyki, informatyki i inżynierii materiałowej.

Rozwój tej dziedziny może przyczynić się, i to już w najbliższej przyszłości, do zrewolucjonizowania wielu działów nauki i technologii. Stosowane tam metody obliczeniowe wykorzystuje się m.in. w konstrukcji komputerów kwantowych, których moc obliczeniowa przekracza możliwości klasycznych komputerów. Połączenia miedzy komputerami są realizowane w oparciu o komunikację kwantową z wykorzystaniem stanów splątanych, kwantowej teleportacji oraz kryptografii kwantowej, umożliwiającej stosowanie całkowicie bezpiecznych protokołów i systemów szyfrujących. Może mieć to również duże znaczenie dla rozwoju bankowości oraz transportu danych na duże odległości, bez strat na jakości przesyłu.

- Splątanie kwantowe jest rodzajem nielokalnych korelacji miedzy częściami układu kwantowego. Stany splątane nie mają klasycznego odpowiednika. Stanowią cenny zasób dla kwantowych protokołów komunikacyjnych, dlatego tak ważne jest zgłębianie teorii splątania, w tym metod bezstratnego przesyłania stanów splątanych – mówi stypendystka Programu START. - Interesującą klasę odwzorowań stanowią także kanały łamiące splątanie, które każdy stan wejścia przekształcają w separowalny, czyli niesplątany, stan wyjścia. Takie kanały absolutnie nie nadają się do transportu splątania kwantowego.

Ważnym zadaniem badawczym komunikacji kwantowej jest zrozumienie sposobu przesyłu danych przez kanały z szumem oraz określenie ilości informacji możliwej do przesłania w sposób bezstratny.

Rozwój tej dziedziny może przyczynić się do zrewolucjonizowania wielu działów nauki i technologii

Popularną i ciągle rozwijaną tematyką badań teoretycznych jest wyznaczanie pojemności kanałów kwantowych, które tę ilość mierzą. Podczas gdy pojemność kanału klasycznego jest jednoznacznie określona, dla kanału kwantowego zależy ona od rodzaju przesyłanej informacji. Wyróżniamy m.in. pojemność kwantową, prywatną pojemność klasyczną oraz pojemność wspomaganą splątaniem.

Dr Siudzińska przyznaje, że nad splątaniami kwantowymi myśli właściwie cały czas.

- Bywa, że robię zupełnie inne rzeczy, ale nagle wpadnie mi do głowy pomysł na jakieś rozwiązanie i muszę, po prostu muszę, je sprawdzić. Odrywam się więc od danego zajęcia i siadam z kartką albo przy komputerze i po prostu liczę – śmieje się dr Siudzińska. – Liczę w głowie nawet podczas spacerów z moim psem, choć oczywiście nie zawsze.

Półtoraroczny golden retriever to jej oczko w głowie – dr Siudzińska poświęca wiele czasu na szkolenie, zabawy oraz spacery z Luckiem. Znajduje również czas na inne przyjemności: lubi dobrą fantastykę, zarówno filmy, jak i książki oraz gry: komputerowe, planszowe i karciane.

Program START Fundacji na rzecz Nauki Polskiej jest najstarszym w Polsce programem stypendialnym dla najlepszych młodych naukowców reprezentujących wszystkie dziedziny nauki. Jego celem jest wspieranie wybitnych młodych uczonych i zachęcanie ich do dalszego rozwoju naukowego. Laureaci otrzymują roczne stypendium w wysokości 28 tysięcy złotych. Mogą je przeznaczyć na dowolny cel. Stypendia START są przyznawane przez FNP od 1993 r. Do 2021 r. włącznie Fundacja nagrodziła 3 200 osób i przyznała 3 836 stypendiów (w latach 2002-2015 istniała możliwość otrzymania stypendium START dwukrotnie) w łącznej wysokości 87,5 mln zł. O stypendium ubiegać się mogą młodzi naukowcy do 30. roku życia (lub starsi, jeżeli korzystają z regulaminowych możliwości przedłużenia). Dorobek kandydatów – udokumentowany patentami lub publikacjami w uznanych polskich i zagranicznych periodykach naukowych – jest oceniany przez uczonych będących autorytetami w swoich dziedzinach. Formalnie poprawne wnioski najpierw ocenia panel ekspercki, który najlepsze kandydatury kieruje do recenzji. Każdemu wnioskowi zakwalifikowanemu do tego etapu przygląda się kolejnych trzech recenzentów. Na podstawie opinii zebranych na poszczególnych etapach oceny merytorycznej wyboru laureatów dokonuje Zarząd Fundacji. Decyzja Zarządu zatwierdzana jest przez Radę Fundacji.