Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Kwantowa Europa, kwantowa Polska

Romaniuk Ryszard

Przegląd Telekomunikacyjny + Wiadomości Telekomunikacyjne

|

2023

|

nr 2

20--30

PL

Informacyjne Technologie Kwantowe ITK obejmują komputing kwantowy, telekomunikację kwantową, oraz metrologię kwantową i synchronizację. Obszary te są ściśle powiązane ze sobą, gdyż bazują na jednym wspólnym fundamencie zjawisk kwantowych. Kwantowy kanał informacyjny i proces transmisji w nim informacji klasycznej i kwantowej jest rodzajem operacji kwantowej, analogicznej do tej która jest wykonywana w systemach komputingu kwantowego. W obu przypadkach fundamentem są zasoby kwantowe. Operacje kwantowe w warunkach rzeczywistych podlegają zakłóceniom wynikłym z istnienia wybiórczych kanałów dekoherencji i sprzężenia świata kwantowego z termodynamicznym środowiskiem makro. Stąd, tak chętnie techniki kwantowe korzystają z fotonów, ponieważ są one stosunkowo odporne na dekoherencję. Jedną z najbardziej obiecujących opcji budowy homogenicznych systemów kwantowych obejmujących komputing i teleinformatykę stanowi fotonika kwantowa, odmienna od fotoniki klasycznej. Nie jest to jednak obecnie metoda najprostsza. Na drodze realizacji takiego homogenicznego systemu konieczne są bada- nia, testy, innowacje i budowa funkcjonalnych urządzeń, systemów i aplikacji zapewniających odpowiedni poziom cyberbezpieczeństwa kwantowego. Przestawienie opcji rozwoju telekomunikacji i komputingu na kwanty wymaga koordynacji na poziomie globalnym, tutaj mówimy o poziomie europejskim, dużych programów badawczych, projektów wspomagających kluczowe kierunki rozwojowe, współdziałania z inicjatywami krajowymi i biznesowymi.

EN

Quantum Information Technologies QIT include quantum computing, quantum telecommunications, quantum metrology and synchronization. These areas are closely related to each other because they are based on one common foundation of quantum phenomena. The quantum information channel and the process of transmission of classical and quantum information in it is a kind of quantum operation, analogous to the one performed in quantum computing systems. In both cases, quantum resources are the foundation. Quantum operations in real conditions are subject to disturbances resulting from the existence of selective decoherence channels and the coupling of the quantum world with the thermodynamic macro environment. Hence, quantum techniques are so eager to use photons, because they are relatively resistant to decoherence. One of the most promising options for building homogeneous quantum systems involving computing and QIT is quantum photonics, which is different from classical photon- ics. However, this is currently not the simplest method. On the way to the implementation of such a homogeneous system, research, tests, innovations and the construction of functional devices, systems and applications ensuring an appropriate level of quantum cybersecurity are necessary. Switching telecommunications and computing development options to quanta requires coordination at the global level, here we are talking about the European level, large research programs, projects supporting key development directions, cooperation with national and business initiatives.

2

Kudit fotonowy

Romaniuk Ryszard

Przegląd Telekomunikacyjny + Wiadomości Telekomunikacyjne

|

2023

|

nr 3

13--19

PL

W swobodnej przestrzeni foton posiada dwa spinowe stopnie swobody, co oznacza że jest idealnym kubitem lotnym. Ze względu na charakter oddziaływania fotonu z materią źródła, modulatora i detektora, foton może teoretycznie łatwo przekazywać stan kwantowy kubitowi stacjonarnemu. Co umożliwia konkatenację kanału kwantowego. Kudit fotonowy jest oczywiście obszarem badań podstawowych i aplikacyjnych w dziedzinie nauki o fotonie (photon science), a w obszarze jego funkcjonalizacji w telekomunikacji i komputingu jest istotnym fragmentem inżynierii fotonu i nową gałęzią fotoniki. Inżynieria fotonu, dodając fotonowi dodatkowe stopnie swobody, czyni z niego kudit. Kudit fotonowy, posiadając wszystkie zalety fotonu, staje się nośnikiem potężnej porcji informacji kwantowej, jeśli tylko uda się funkcjonalizować tak bardzo złożony system kwantowy i sposób kodowania w nim informacji. W uproszczeniu, najefektywniejszą metodą produkcji funkcjonalnego kuditu fotonowego jest posiadanie odpowiedniego źródła potrafiącego generować złożone formaty pola elektromagnetycznego zawierającego pojedynczy foton idealny, lub złożone formaty fotonu pojedynczego lub wielokrotnego, w tym ułamkowego. Bardzo szeroką tematykę badawczą nad kuditami fotonowymi przybliżamy w niniejszej pracy kilkoma przykładami kierunków prac, w sposób daleki od wyczerpującego.

EN

In free space, a photon has two spin degrees of freedom, which means that it is a perfect flying qubit. Due to the nature of the interaction of the photon with the matter of the source, modulator and detector, the photon can theoretically easily transfer a quantum state to a stationary qubit. Which makes it possible to concatenate a quantum channel. Photon qudit is of course an area of basic and application research in the field of photon science, and in the area of its functionalization in telecommunications and computing. It is an important part of photon engineering and a new branch of photonics. The engineering of the photon, by adding additional degrees of freedom to the photon, makes it a qudit. The photon qudit, having all the advantages of a photon, becomes a carrier of a huge portion of quantum information, if only such a complex quantum system and the way of coding information in it can be functionalized. In simple terms, the most effective method of producing a functional photon qudit is to have an appropriate source capable of generating complex formats of the electromagnetic field containing a single ideal photon, or complex formats of a single or multiple photon, including a fractional photon. The very broad research topic on photon qudits is presented here, in a far from exhaustive way, with several examples of directions of work.

3

Europejskie Otwarte Inicjatywy Kwantowe

Romaniuk Ryszard

Przegląd Telekomunikacyjny + Wiadomości Telekomunikacyjne

|

2023

|

nr 1

5--19

PL

Informacyjne technologie kwantowe ITK obejmują, z przymiotnikiem kwantowy, komputing, telekomunikację, czujniki, metrologię i synchronizację. Realizacja wszystkich tych głównych komponentów ITK dotyczy takich warstw jak architektura, technologia, budowa sprzętu, oraz kompatybilnego wielowarstwowego oprogramowania. Komputing kwantowy to, w warstwach sprzętowych i programistycznych, opanowanie technologii i techniki manipulacji kubitami fizycznymi i logicznymi, gospodarka zasobami kwantowymi, budowa procesorów, urządzeń obliczeniowych, rozwój systemów pośredniego etapu NISQ oraz w przyszłości efektywna budowa uniwersalnych komputerów. Termin „uniwersalny komputer kwantowy” lub szerzej „uniwersalny system kwantowy” jest tutaj rozumiany w sensie realizowalnego stopnia odporności lub tolerancji błędów kwantowych w systemie zdolnym do transmisji zasobów kwantowych, realizacji wzorcowych algorytmów kwantowych, np. Shora czy Groovera, dających przewagę nad transmisją i algorytmami klasycznymi. Telekomunikacja kwantowa to kanały kwantowe, nadajniki i odbiorniki, transmisja, węzły, wzmacniaki, pamięci, zwielokrotnianie, multipleksowanie, sieci, architektury, oprogramowanie, bezpieczeństwo, itp. Czujniki to wykorzystanie zjawisk kwantowych, w tym także urządzeń kubitowych do budowy znacznie czulszych urządzeń pomiarowych lokalnych, sieciowych, systemów teledetekcji, itp. Synchronizacja to wykorzystanie zjawisk subatomowych do tworzenia nowej, znacznie dokładniejszej, skali czasu i praktyczne wykorzystanie tej skali dla celów ITK i klasycznej ICT. Ta ogromna przestrzeń badawcza i techniczna podlega intensywnym procesom zagospodarowania społecznego i standaryzacji. Temu celowi służą w Europie coraz liczniejsze lokalne projekty krajowe, ale także różnego rodzaju, duże, wysokonakładowe, istotne społecznie, otwarte inicjatywy kwantowe, realizowane równolegle do analogicznych inicjatyw podejmowanych w USA, Japonii i Chinach. W Polsce konieczna jest znajomość i aktywne uczestnictwo w tych inicjatywach.

EN

QIT quantum information technologies (or Quantum ICT) include, with the adjective quantum, computing, telecommunications, sensors, metrology and synchronization. The implementation of all three main components of QIT concerns such layers as architecture, technology, hardware construction, and compatible multi-layered software. Quantum computing is, in the hardware and programming layers, mastering the technology and techniques of manipulating physical and logical qubits, the management of quantum resources, the construction of processors, computing devices, the development of NISQ intermediate stage systems and, in the future, the effective construction of universal computers. The term “universal quantum computer” or more broadly “universal quantum system” is understood here in the sense of a realizable degree of resistance or quantum error tolerance in a system capable of transmitting quantum resources, implementing standard quantum algorithms, e.g. Shor or Groover, giving an advantage over classical transmission and algorithms. Quantum telecommunications are quantum channels, transmitters and receivers, transmission, nodes, repeaters, memories, multiplexing and demultiplexing, networks, architectures, software, security, etc. Sensors are the use of quantum phenomena, including qubit devices to build much more sensitive local measuring devices, networks systems, remote sensing systems, etc. Synchronization is the use of subatomic phenomena to create a new, much more accurate time scale and the practical use of this scale for QIT and classical ICT purposes. This huge research and technical space is subject to intensive processes of social development and standardization. This goal is realized in Europe by increasingly numerous local national projects, but also various types of large, high-investment, socially relevant, open quantum initiatives, carried out in parallel to similar initiatives undertaken in the USA, Japan and China. In Poland, it is necessary to know and participate actively in these initiatives.

4

Charakterystyki kuditu fotonowego

Romaniuk Ryszard

Przegląd Telekomunikacyjny + Wiadomości Telekomunikacyjne

|

2023

|

nr 5

9--16

PL

Koncepcje realizacji węzłów sieci i komputingu kwantowego na bazie kuditów fotonowych są pod względem technicznym w początkowym etapie rozwoju, znacznie w tyle za technikami kubitowymi. Techniki kubitowe i kuditowe w przypadku fotonu są silnie skorelowane. Impuls rozwojowy fotoniczne techniki kubitowe otrzymały ze strony fotonicznych układów scalonych PIC i znacznego postępu w ich technologii. Sprawne logiczne fotoniczne kubitowe bramki kwantowe są realizowane przy pomocy liniowych układów mikro-fotonicznych. W tworzeniu topologii kubitowych układów bramkowych PIC wykorzystuje się właściwości teorii grafów. I jest to metoda tak skuteczna, że stosowany jest termin grafowa fotonika kwantowa. Grafowa teoria fotonicznych układów kwantowych jest rozszerzana na kudity. Możliwość taką zapewnia niezwykła elastyczność fotonu jako obiektu kwantowego, pojedynczego i klastrowanego, w postaci możliwości kształtowania jego stanów swobody i generacji stanów nieklasycznych. Kudit fotonowy poprzez swoją wielostronność i wielowymiarowość realizuje hipersplątanie w znacznie bogatszy sposób, jednak trudny do opanowania praktycznego. Naturalną metodą są próby zastosowania rozwiązań dobrze znanych w telekomunikacji i radioelektronice, czyli działania w domenach czasu, częstotliwości i przestrzeni. Działania te ujawniają fascynującą nieklasyczną naturę fotonu swobodnego, klastrowanego i hipersplątanego i potencjalnie uchylają drzwi do jego sprawnej funkcjonalizacji w postaci kuditu. Taka funkcjonalizacja nie będzie łatwa bo foton jest bardzo słabo reaktywny. Konieczne jest poszukiwanie metod rekompensujących.

EN

The concepts of network nodes implementation and quantum computing based on photon qudits are technically in the early stages of development, well behind qubit techniques. Photonic qubit and qudit technologies are strongly correlated. Photonic qubit techniques received a development impulse from photonic PIC integrated circuits and significant progress in their technology. Efficient logical photonic qubit quantum gates are implemented using linear micro-photonic circuits. The properties of graph theory are used in the creation of topologies of qubit PIC gate circuits. And this method is so effective that the term graph quantum photonics is used. The graph theory of photonic quantum systems is being extended to qudits. This possibility is ensured by the extraordinary flexibility of the photon as a quantum object, single and clustered, in the form of the possibility of shaping its states of freedom and generating non-classical states. The photon qudit, through its multipartition and multidimensionality, implements hyperentanglement in a much richer way, but difficult to master in practice. A natural method is to try to apply solutions well known in telecommunications and radioelectronics, i.e. actions in the domains of time, frequency and space. These activities reveal the fascinating non-classical nature of the free, clustered and hyperentangled photon and potentially open the door to its smart functionalization in the form of a qudit. Such functionalization will not be easy as a photon is hardly reactive. It is necessary to search for recompensation methods.

5

Quantum integrated photonics

Romaniuk Ryszard

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2023

|

Vol. 64, Nr 8

17--24

EN

Quantum integrated photonics (QIP) is one of the technological and system options for building quantum networks and compu ters. The carrier of multilateral, multidimensional quantum infor mation, in the state of coherent superposition and entanglement/ hyper-entanglement, is a single, most often heralded, or deter ministic photon or a cluster of photons. The material substrates for the operation of a photon qubit/qudit are photonic integrated circuits (PICs) and optical fibres. In such an environment, photons as qubits or qudits are generated, modulated and demodulated, transmitted and detected. Unlike other qubit technologies, the photon as a flying qubit is transformed reversibly in a material medium to a stationary form in resonant absorption and emission with the preservation of quantum information. The photon, as the only qubit/qudit, in zero time in its frame of reference, trans mits quantum information in the vacuum between the emission and absorption. The QIP technology potential results from the possibility of performing all quantum operations on the photon qubit/qudit using linear optics methods. These operations inc lude qubit operations in the time, frequency and space domains and the implementation of quantum gate logic. Quantum error correction, photon quality determination, indistinguishability, en tanglement distribution and distillation are possible. Hybrid, in terms of material, QIP systems, consisting of quantum-connec ted PICs, have the potential to implement universal computers and quantum networks. The paper is part of a cycle related to a lecture for PhD students on Quantum Information Technologies and Quantum Biophotonics.

PL

Kwantowa fotonika scalona (KFS) jest jedną z opcji technologicz nych i systemowych budowy kwantowych sieci i komputerów. Nośnikiem wielostronnej, wielowymiarowej informacji kwantowej w stanie koherentnej superpozycji, splątania i hipersplątania jest pojedynczy, najczęściej zwiastowany, lub deterministyczny foton lub klaster fotonów. Podłożem materialnym dla działania kubitu lub kuditu fotonowego są fotoniczne układy scalone (FUS) i światło wody. W takim środowisku fotony jako kubity lub kudity są genero wane, modulowane i demodulowane, transmitowane i detekowane. W odróżnieniu od innych technologii kubitowych foton jako ku bit lotny transformuje się, w ośrodku materialnym, w odwracalny sposób, do postaci stacjonarnej w akcie rezonansowej absorpcji i emisji z zachowaniem informacji kwantowej. Foton, jako jedyny kubit/kudit, w zerowym czasie w jego układzie odniesienia, trans mituje informację kwantową w próżni pomiędzy aktami emisji i absorpcji. Potencjał technologii KFS wynika z możliwości realiza cji na kubicie/kudicie fotonowym wszystkich operacji kwantowych metodami optyki liniowej. Te operacje obejmują operacje na kubi cie w domenach czasu, częstotliwości i przestrzeni, oraz realizację kwantowej logiki bramkowej. Możliwa jest korekcja błędów kwan towych, określanie jakości fotonów, nierozróżnialności, dystrybucja i destylacja splątania. Hybrydowe, pod względem materiałowym, systemy KFS, składające się z połączonych kwantowo FUS posia dają potencjał realizacji uniwersalnych komputerów i sieci kwan towych. Artykuł jest częścią cyklu związanego z wykładami dla doktorantów na temat Kwantowych Technologii Informacyjnych i Biofotoniki Kwantowej.

6

Biofotonika klasyczna i kwantowa : substancje, zjawiska, instrumentarium. Cz. 1, Obszary badawcze, korelacje i procesy

Romaniuk Ryszard

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2023

|

Vol. 64, Nr 3

4--24

PL

Postępy w funkcjonalizacji zjawisk kwantowych, co ujęto w dyscyplinę określaną jako informacyjne techniki kwantowe ITK, stanowią istotny element rozwoju zupełnie odmiennych dyscyplin, w tym biofotoniki kwantowej. Jednym z ważnych technik badawczych w biologii jest wykrywanie słabego światła używanego w systemowych badaniach biologicznych, testach biologicznych, bioprodukcji, a także w diagnostyce medycznej. Opanowanie technik generacji na żądanie, a szczególnie detekcji pojedynczych fotonów, w połączeniu z kwantowo-optycznymi metodami przetwarzania danych otwarło fundamentalnie nowe fotoniczne możliwości metrologiczne związane z obserwacją warunków zjawisk bio-optycznych w pojedynczej molekule. W tym właśnie obszarze ultra-precyzyjnych optycznych pomiarów pojedynczej molekuły została przyznana Nagroda Nobla z Chemii w roku 2014 - super-rozdzielcza mikroskopia fluorescencyjna. Od tego czasu badania i zastosowania w obszarze biofotoniki kwantowej znacznie rozszerzyły się, obejmując wiele technik mikroskopowych, tomograficznych, obrazowania, ultra-czułej detekcji biochemicznej, ultra-precyzyjnej fotonicznej manipulacji molekularnej. Biofotonika kwantowa rozwija się dynamicznie jako wspólny obszar biologii kwantowej i optyki kwantowej. Poprzez wyposażenie instrumentalne, pomiarowe i aplikacyjno-funkcjonalizujące, biofotonika kwantowa jest ściśle związana z takimi dyscyplinami jak inżynieria biomedyczna, fizyka biomedyczna, biochemia, metrologia optyczna i elektroniczna oraz ICT.

EN

Advances in the functionalization of quantum phenomena, which are now included in the discipline known as quantum information techniques, constitute an important element in the development of completely different disciplines, including quantum biophotonics. One of the important research techniques in biology is the detection of low light used in system biological research, bioassays, bioproduction as well as in medical diagnostics. Mastering the techniques of generation on demand, and especially the detection of single photons, combined with quantum-optical methods of data processing, opened fundamentally new photonic metrological possibilities related to the observation of the conditions of bio-optical phenomena in a single molecule. It was in this area of ultra-precise optical measurements of a single molecule that the Nobel Prize in Chemistry in 2014) super-resolved fluorescence microscopy) was awarded. Since then, research and applications in the field of quantum biophotonics have significantly expanded to include many techniques of microscopy, tomography, imaging, ultra-sensitive biochemical detection, and ultra-precise photonic molecular manipulation. Quantum biophotonics is developing dynamically as a common area of quantum biology and quantum optics. Through instrumental, measuring and application-functionalizing equipment, quantum biophotonics is closely related to biomedical engineering, bio- medical physics, biochemistry, optical and electronic metrology, and ICT.

7

Teleinformatyka kwantowa

Romaniuk Ryszard S.

Przegląd Telekomunikacyjny + Wiadomości Telekomunikacyjne

|

2022

|

nr 5

654--665

PL

Technologia kwantowa jest obszarem coraz skuteczniej funkcjonalizującym zjawiska mechaniki kwantowej, nie tylko jak to robiono dotychczas z sukcesem, czyli głównie poprzez inżynierię przerwy zabronionej. Epoka Quantum-1 dała nam układy scalone, lasery, czujniki, komputery, informatykę, telekomunikację światłowodową i satelitarną. W wielu obszarach Quantum-1 doszliśmy, lub za jakiś czas dojdziemy, do granic technologicznych. Świat naukowy zauważył możliwość dalszego, nie ewolucyjnego, ale skokowego rozwoju wymienionych technologii poprzez zmianę epoki na coś co dzisiaj nazywamy Quantum 2. Quantum 2 nie bazuje na przerwie zabronionej tak jak Quantum 1, ale usiłuje dowolnie manipulować pojedynczym izolowanym, a także grupą skorelowanych układów kwantowych. Za taką datę narodzin Quantum 2 uznaje się odkrycie przez Johna Stewarda Bella w 1964 roku nierówności i sformułowanie na jej podstawie prawa dotyczącego ścisłej granicy nielokalności kwantowej w układzie dwustronnym, lub jak dzisiaj mówimy dowodu splątania między Alicją i Bobem. J.S.Bell przedstawił możliwość prostej i ścisłej eksperymentalnej weryfikacji paradoksu EPR z roku 1934 poprzez statystyczny pomiar korelacji kwantowych. Nie od razu skonsumowano to genialne odkrycie. Pierwszy prosty eksperyment weryfikacyjny prawdziwość naruszenie nierówności wykonał zespół Johna Clausera w r. 1979 na podstawie wyprowadzonej w roku 1969 nierówności klasy Bella - CHSH. Pełny eksperyment, jednak bez unikania większości luk pomiarowych, wykonał po raz pierwszy zespół Alaina Aspecta w roku 1982. Zespół Antona Zeilingera wykonał wiele testów Bella także w skali kosmicznej, pokazał pierwszy teleportację kwantową i możliwość manipulacji splątaniem poprzez jego przełączanie między kubitami. Clauser, Aspect i Zeilinger otrzymali nagrodę Nobla z fizyki za te osiągnięcia w roku 2022. Stanowią one bramę wejściową do epoki Quantum 2 i podstawę rozwoju informacyjnych technologii kwantowych na fizycznej platformie fotoniki kwantowej.

EN

Quantum technology is an area that is increasingly functionalizing the phenomena of quantum mechanics, not only as it has been successfully done so far, i.e. mainly through the forbidden gap engineering. The Quantum-1 era gave us integrated circuits, lasers, sensors, computers, IT, fiber optic and satellite telecommunications. In many areas of Quantum-1, we have reached or will come to technological limits in some time. The scientific world has noticed the possibility of a further, not evolutionary, but leapfrog development of these technologies by changing the epoch to what we now call Quantum-2. Quantum-2 is not based on a forbidden band like Quantum-1, but tries to arbitrarily manipulate a single isolated as well as a group of correlated quantum systems. The birth date of Quantum-2 is considered to be the discovery by John Steward Bell in 1964 of inequality and the formulation of a law on the strict limit of quantum nonlocality in a bilateral system, or as we speak today, the proof of entanglement between Alice and Bob. J.S.Bell presented the possibility of a simple and strict experimental verification of the EPR paradox from 1934 through the statistical measurement of quantum correlations. This brilliant discovery was not immediately consumed. The first simple experiment to verify the truth of the inequality was performed by John Clauser’s team in 1979 on the basis of the Bell-class CHSH inequality derived in 1969. The full experiment, but without avoiding all measurement loopholes, was first performed by Alain Aspect’s team in 1982. Anton Zeilinger’s team performed many Bell tests also on a cosmic scale, showed the first quantum teleportation and the possibility of manipulating entanglement by switching between qubits. Clauser, Aspect and Zeilinger were awarded the Nobel Prize in Physics for these achievements in 2022. They are the gateway to the Quantum-2 era and the basis for the development of quantum information technologies on the physical quantum photonics platform.

8

Systemy Elektroniczne i Fotoniczne : 50 edycja Sympozjum Wilga

Romaniuk Ryszard, Smolarz Andrzej, Wójcik Waldemar

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2022

|

Vol. 63, Nr 11

82--85

PL

Zakres tematyczny Sympozjum WILGA dotyczy zaawansowanych zastosowań układów elektronicznych i fotonicznych. Najczęściej są to układy i systemy hybrydowe, coraz częściej współprojektowane łącznie na poziomie elektronicznym i fotonicznym, gdyż elektronika i fotonika przenika się w nich w nierozłączny, lub trudno zadaniowo rozłączalny, system funkcjonalny. Taki proces współprojektowania dotyczy zarówno warstwy sprzętowej jak i programistycznej. Proces może dotyczyć także warstwy niższej, komponentowej, gdzie dyskretne elementy składowe układów funkcjonalnych są już projektowane uwzględniając jednoczesne istnienie w nich warstwy fotonicznej i elektronicznej. Sympozjum WILGA było jednym z pierwszych miejsc, gdzie już ponad 20 lat temu otwarto ten nurt tematyczny określany w literaturze nazwą electronic-photonic hardware-software co-design. Sympozjum WILGA 2022, w swojej jubileuszowej pięćdziesiątej edycji, organizowane w okresie post-pandemicznym, odbudowuje pracowicie swoje znaczenie w środowisku młodych uczonych pracujących w obszarze zastosowań systemów elektronicznych i fotonicznych, w budowie małych i dużych infrastruktur badawczych, biomedycynie, inżynierii kosmicznej, telekomunikacji, inżynierii bezpieczeństwa, komputingu kwantowym, i wielu innych.

EN

The topical scope of the WILGA Symposium concerns advanced applications of electronic and photonic systems. Most often they are hybrid circuits and systems, more and more often co-designed jointly at the electronic and photonic level, as electronics and photonics intertwine in them into an inseparable or difficult to task-disconnect functional system. This co-design process applies to both the hardware and software-firmware development layers. The process may also apply to the lower, component layer, where discrete components of functional systems are already designed taking into account the simultaneous existence of the photonic and electronic layers in them. The WILGA Symposium was one of the first places where this topic, referred to in the literature as electronic-photonic hardware-software co-design, was opened already over 20 years ago. The WILGA 2022 symposium, during its jubilee 50th edition, organized in the post-pandemic period, is diligently rebuilding its importance in the community of young scientists working in the field of electronic and photonic systems applications, in the construction of small and large research infrastructures, biomedicine, space engineering, tele- communications, security engineering, quantum computing, and many others.

9

Kwantowa Alicja i Bob

Romaniuk Ryszard

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2022

|

Vol. 63, Nr 1

16--24

PL

Nierozdzielne obiekty, zmienne metasyntaktyczne Alicja i Bob, razem ze swoim szerszym towarzystwem, wchodzą ze świata klasycznego w świat kwantowy. Muszą zauważać, że między tymi światami jest duża różnica, ale są i podobieństwa. Aliasy (vel) są antropomorfizacją urządzeń bądź oprogramowania wykonującego odpowiednie czynności niezbędne do realizacji, najczęściej bezpiecznej, komunikacji i obliczeń w systemach ICT i sieciach. Aliasy te dla archetypów w kryptologii zostały poczęte przez twórców asymetrycznego algorytmu kryptograficznego RSA z kluczem publicznym w roku 1978. Od tego historycznego momentu Alicja i Bob znacznie dojrzeli wraz ze znacznym rozwojem technologii. Mimo takiego rozwoju, algorytm RSA, wykorzystujący trudność faktoryzacji dużych liczb złożonych, jest nadal najpopularniejszy w kryptografii. Jakie więc specjalne przywileje dostają Alicja i Bob w świecie kryptografii i komputingu kwantowego, skoro już obecnie pracuje się nad rozwojem kryptografii i bezpieczeństwa post-kwantowego? Czy Alicja i Bob mają się czego bać? Kwantowy probabilistyczny algorytm Petera Shora umożliwia faktoryzację złożonej liczby naturalnej N w czasie wielomianowym O[(logN)3] przy wykorzystaniu pamięci O(log N). Nieznany jest klasyczny algorytm faktoryzujący liczbę N w czasie logarytmicznym O[(logN)k] dla żadnego k. Układy kwantowe do realizacji algorytmu Shora są optymalizowane pod względem użycia pamięci i czasu działania w kierunku zwiększenia wydajności obliczeniowej. Postęp w dziedzinie optymalizowanych symulacyjnie architektur procesorów kwantowych wymaga jeszcze dość trudnego obecnie przełożenia na praktykę. Alicja i Bob pozostają nadal znacznie bezpieczniejsi w świecie klasycznym. Na jak długo?

EN

Inseparable metasyntactic objects, variables Alice and Bob, together with their wider companionship, enter the quantum world from the classical world. They must notice that there is a big difference between these worlds, but there are also similarities. Aliases (vel) are anthropomorphising of devices or software that perform appropriate activities necessary to implement the most often secure communication and calculations in ICT systems and networks. These aliases for archetypes in cryptology were conceived by the creators of the RSA public key asymmetric cryptographic algorithm in 1978. From this historic point in time, Alice and Bob have matured significantly with the advancement of technology. Despite this development, the RSA algorithm, which uses the difficulty of factorization of large complex numbers, is still the most popular in cryptography. So, what special privileges do Alice and Bob get in the world of cryptography and quantum computing, as researchers are already working on the development of post-quantum cryptography and security? Do Alice and Bob have anything to be afraid of? Peter Shor’s quantum probabilistic algorithm enables the factorization of a complex natural number N over polynomial time O [(logN)3] using the O (log N) memory. The classical algorithm factorizing the number N in logarithmic time O [(logN) k] for any k is unknown. Quantum systems for the Shor’s algorithm implementation are optimized in terms of memory use and operating time towards increasing computational efficiency. Progress in the field of simulation- optimized quantum processor architectures still needs to be put into practice, which is quite difficult at present. Alice and Bob remain today much safer in the classical world. For how long?

10

Kubit logiczny

Romaniuk Ryszard

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2021

|

Vol. 62, nr 11

23--30

PL

Kubit logiczny jest układem kwantowym rzeczywistym lub przeważnie wirtualnym, programistycznym realizującym funkcje pojedynczego kubitu fizycznego. Składa się zazwyczaj z wielu lub bardzo wielu kubitów fizycznych, lub pojedynczych modeli/ symboli kubitów fizycznych. W idealnym bramkowym układzie kwantowym, w zasadzie, kubit logiczny mógłby być niepotrzebny. Wszystkie operacje kwantowe mogą być wykonywane przez układ bramek jednokubitowych Pauliego X, Y, Z, I, oraz H i dwukubitowych np. H-I, CX, CZ SWAP. Bramki wielokubitowe, np. CCX Toffoli, itp., mogą być wprowadzane w celu redukcji topologii układu i skrócenia długości łączących bramki drutów kwantowych. Sprzętowo i programistycznie redundancyjny kubit logiczny jest wprowadzany jako konieczny obecnie etap pośredni idealizujący, ale tylko do pewnego stopnia, zaszumione kubity fizyczne i ich nieidealne warunki pracy. Kubity logiczne mogą być wygodne do budowy oprogramowania kwantowego na poziomie logicznym, middleware, optymalizacji topologii i funkcjonalności bramkowych układów kwantowych, mitygacji błędów kwantowych, wirtualizacji układów/sieci kwantowych. Kosztem wprowadzenia kubitów logicznych jest zwiększone zużycie zasobów. Kubity logiczne są używane i praktycznie, i teoretycznie w układach komputingu kwantowego. W budowie przyszłego uniwersalnego komputera kwantowego UQC kubity logiczne i kwantowe bramki logiczne wydają się być niezastąpione.

EN

A logical qubit is a real or virtual, software-based quantum system that performs the functions of a single physical qubit. It usually consists of many or large number of physical qubits, or single models/symbols of physical qubits. In an ideal quantum gate system, in principle, a logical qubit might be unnecessary. All quantum operations can be performed by a system of single-qubit and double-qubit gates, eg CX and I-H. Multi-qubit gates, eg CCX, Toffoli, etc., can be introduced to reduce the topology of the system and shorten the length of the quantum wires connecting the gates. Hardware and software redundant logical qubits are being introduced as the now necessary intermediate step, idealizing, but only to a certain extent, noisy physical qubits and their imperfect working conditions/environment. Logical qubits can be convenient for building quantum software at the logical level, optimizing the topology and functionality of quantum gate systems, mitigating quantum errors, and virtualizing quantum systems/networks. The cost of introducing logical qubits is increased resource consumption. Logical qubits are used practically and theoretically in quantum computing circuits. In future universal quantum computers UQC the logical qubits seem to be indispensable.

11

Korekcja błędów kwantowych

Romaniuk Ryszard

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2021

|

Vol. 62, nr 7

22--29

PL

Urządzenie kwantowe NISQ działa w praktyce bez zaawansowanych metod korekcji błędów kwantowych (QEC). Takiej korekcji nie można wprowadzić sprzętowo ze względu na skromność układu NISQ. Komputer UQC musi koniecznie posiadać złożone warstwy korekcji błędów na poziomach sprzętowym i programistycznym. Bez warstw QEC komputer UQC nie ma możliwości wypełnienia swoich zadań obliczeniowych. Niestety wiele z metod QEC jest silnie redundancyjnych, a więc bardzo kosztownych. Komputer UQC, mimo że dość dobrze znamy jego potencjalne właściwości, jest urządzeniem teoretycznym, w związku z czym badania nad QEC odbywają się w warstwie coraz bardziej zaawansowanych technik symulacyjnych prowadzonych oczywiście w przestrzeni komputingu klasycznego. Pewne, na razie bardzo niewielkie, możliwości eksperymentalne oferuje urządzenie NISQ. Techniki QEC definiuje się najczęściej jako specjalizowane metody stosowane w zaszumionym, rzeczywistym nieidealnym komputingu kwantowym w celu zabezpieczenia informacji kwantowej przed dekoherencją i szumem kwantowym. Równie często QEC jest stosowany do zabezpieczenia informacji w komunikacji kwantowej, gdzie stany kwantowe są transmitowane przez zaszumiony kanał kwantowy. QEC jest częścią szerszego obszaru projektowania systemu kwantowego odpornego na błędy. Inne podejścia do mitygacji błędów w systemach kwantowych zawierają: podprzestrzenie bez dekoherencji, podsystemy bezszumne, dynamiczne odsprzężenie od środowiska termodynamicznego.

EN

The NISQ quantum device works in practice without advanced quantum error correction (QEC) methods. Such a correction cannot be implemented in hardware due to the modesty of the NISQ chip. A UQC computer must necessarily have complex error correction layers at the hardware and software levels. Without QEC layers, the UQC computer cannot fulfil its computational tasks. Unfortunately, many of the QEC methods are highly redundant and therefore very expensive. The UQC computer, although we know its potential properties quite well, is a theoretical device, therefore research on QEC takes place in the layer of more and more advanced simulation techniques conducted, of course, in the space of classical computing. Certain, so far very small, experimental possibilities are offered by the NISQ device. QEC techniques are most often defined as specialized methods used in noisy, real non-ideal quantum computing to protect quantum information against decoherence and quantum noise. Equally often, QEC is used to secure information in quantum communication, where quantum states are transmitted over a noisy quantum channel. QEC is part of the wider design area of an error-tolerant quantum system. Other approaches to error mitigation in quantum systems include: subspaces without decoherence, noiseless subsystems, and dynamic decoupling from the thermodynamic environment.

12

Dekoherencja kwantowa

Romaniuk Ryszard

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2021

|

Vol. 62, nr 10

18--25

PL

Artykuł jest kolejną częścią dydaktycznego cyklu swobodnych popularnych esejów na temat informacyjnych technologii kwantowych. Cykl tematyczny ITK został rozpoczęty w styczniowym zeszycie Elektroniki 1/2021 i pokrywał się z prowadzonymi przez autora wykładami dla doktorantów na ten temat na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. Dekoherencja kwantowa jest nietrywialnym i złożonym procesem przejścia przez niedokładnie znaną granicę między światami kwantowym i klasycznym. Niedokładność wiedzy o tej granicy dotyczy jej położenia, rozmycia w kwantowej i klasycznej przestrzeniach fazowych, wymiarów obszaru przejściowego, właściwości fizycznych, zakresu obowiązywania praw obu światów w pobliżu tej granicy, różnorodności kanałów przechodzenia granicy, zadziwiającej selektywności i wybiórczości (nazywanej superselekcją/nadwyborem) dekoherencyjnych sprzężeń różnych stanów obiektu kwantowego (tutaj kubitu) z przestrzenią termodynamiczną, itp. Ta granica musi pozostać rozmyta, bo prawa prawdopodobieństwa i znajomość stanów są różne po obu jej stronach. Kubit przechodząc proces dekoherencji podlega wymienionym zjawiskom w obszarze granicznym zależnie od właściwości kanałów dekoherencji które go dotyczą. Ogólnie kanały dekoherencji są związane z nieuchronnym sprzężeniem kubitu ze światem makroskopowym, nazywanym tutaj klasycznym lub przestrzenią termodynamiczną. Kanałami dekoherencji są zakłócenia i szumy kwantowe. W komputingu kwantowym stan kubitu mierzymy po wykonaniu cyklu obliczeń kwantowych. Sprzęt pomiarowy i proces pomiaru są kanałami dekoherencji. Pomiar jest procesem gwałtownym i nieodwracalnym transformującym kwantowy kubit do świata klasycznego. W czasie obliczeń może dochodzić do częściowej dekoherencji stanu kubitu. Może to być proces odwracalny metodami kwantowymi.

EN

This article is the next part of a didactic series of popular essays on quantum information technology. The QIT thematic cycle was started in the January issue of Electronics monthly Journal and coincided with the author’s lectures on this topic for PhD students at the Faculty of Electronics and Information Technology of the Warsaw University of Technology. Quantum decoherence is a non-trivial and complex process of passing through an inaccurately known boundary between the quantum and classical worlds. The inaccuracy of knowledge about this border concerns its location, blurring in quantum and classical phase spaces, dimensions of the transition region, physical properties, the scope of the laws of both worlds near this border, the diversity of the border crossing channels, astonishing selectivity of decoherence couplings (superselection) between different quantum states of quantum object (qubit) with thermodynamic space, etc. This border must remain blurred and fuzzy because the laws of probability and knowledge of the states are different on both sides. The qubit undergoing the process of decoherence is subject to the above-mentioned phenomena in the border area depending on the properties of the decoherence channels that concern it. Generally, the decoherence channels are associated with the inevitable coupling of the qubit with the macroscopic world, hereinafter referred to as the classical, macroscopic, or thermodynamic space. The channels of decoherence are interference and quantum noise. In quantum computing, the state of a qubit is measured after the cycle of quantum computations. The measurement equipment and the measurement process are channels of decoherence. Measurement is a violent and irreversible process transferring the qubit to the classical world. During the calculations, there may be a partial decoherence of the qubit state. It could be a process that can be reversed by quantum methods.

13

Bramki kwantowe

Romaniuk Ryszard

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2021

|

Vol. 62, nr 12

17--25

PL

Bramka kwantowa jest elementarnym układem logicznym działającym na niewielkiej liczbie kubitów, typowo jednym, dwóch, trzech, czasami na rejestrze kubitów (kubajt). Bramki kwantowe są stosowane w modelu obliczeniowym bazującym na układach kwantowych, w pewnym sensie analogicznych do układów elektronicznych. Niektóre bramki klasyczne posiadają kwantowe bramki ekwiwalentne. W takim przypadku te bramki kwantowe posiadają klasyczne tabele prawdy, np. bramka Toffoli. Układy kwantowe mogą wykonać wszystkie operacje układów klasycznych, ale nie odwrotnie. Bramki kwantowe są opisane operatorami macierzowymi odwracalnymi i unitarnymi. Podstawowe bramki kwantowe mają operatory indempotentne i inwolucyjne (samo-odwracalne), inaczej hermitowskie. Podstawę możliwości wykorzystania idealnych logicznych bramek kwantowych do budowy efektywnego systemu obliczeniowego stanowią ścisłe dowody realizowalności niedeterministycznej kwantowej maszyny Turinga, twierdzenia o istnieniu skończonego uniwersalnego zbioru bramek kwantowych pozwalającego na budowę takiej maszyny (twierdzenie Solovaya-Kitayeva), twierdzeniu o możliwości symulacji uniwersalnego zbioru bramek przez probabilistyczną maszynę Turinga (twierdzenie Gottesmanna-Knillla), itp. W artykule dokonano przeglądu uniwersalnego zbioru bramek kwantowych, w tym grupy Clifforda/Pauliego, wraz z uwarunkowaniami ich stosowalności do budowy funkcjonalnych obliczeniowych układów kwantowych.

EN

A quantum gate is an elementary logic circuit that operates on a small number of qubits, typically one, two, three, and sometimes on a qubit register (qubyte). Quantum gates are used in a computational model based on quantum systems, somewhat analogous to electronic systems. Some classical gates have quantum equivalent gates. In such a case, these quantum gates have classic truth tables, e.g., the Toffoli gate. Quantum systems can perform all the operations of classical systems, but not the other way around. Quantum gates are described by reverse and unitary matrix operators. Basic quantum gates have idempotent and involution operators, and they are Hermitian. The basis for the possibility of using ideal logical quantum gates to build an effective computational system are the strict proofs of the feasibility of a nondeterministic Turing quantum machine, theorems about the existence of a finite universal set of quantum gates allowing for the construction of such a machine (Solovay-Kitayev theorem), theorem about the possibility of simulating a universal set of gates by probabilistic Turing machine (Gottesmann-Knill theorem), etc. The article reviews the universal set of quantum gates, including Clifford/Pauli group, along with the conditions of their applicability to the construction of functional computing quantum systems.