Projekti / Programi
Fizika kvantnih tehnologij
01. januar 2022
- 31. december 2027
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
kvantna tehnologija, kvantne komunikacije, vesoljska tehnologija, kvantna optika, kvantni senzorji, hladni atomi, superprevodna vezja, kubiti, nanonaprave, kvantni spomin, optomehanika, snovno-valovna interferometrija, večdelčna fizika, neravnovesni pojavi, strojno učenje
Podatki za zadnjih 5 let (citati za zadnjih 10 let) na dan
19. april 2024;
A3 za obdobje
2018-2022
Podatki za razpise ARIS (
04.04.2019 - Programski razpis,
arhiv
)
| Baza |
Povezani zapisi |
Citati |
Čisti citati |
Povprečje čistih citatov |
| WoS |
268 |
8.064 |
7.243 |
27,03 |
| Scopus |
277 |
8.684 |
7.815 |
28,21 |
Raziskovalci (14)
Organizacije (2)
Povzetek
Preučevali bomo kvantne pojave v posameznih objektih in njihovih sestavih (optičnih fotonih, ujetih hladnih atomih, ujetih dielektričnih delcih, superprevodnih kubitih, hibridnih nanožicah). Ker lahko ti sistemi dolgo ostanejo kvantno koherentni, so primerni za hranjenje in obdelavo kvantnih informacij za kvantne aplikacije ter za temeljne preizkuse kvantne fizike. Raziskovalno skupino sestavljajo teoretični in eksperimentalni fiziki, ki se ukvarjajo s komplementarnimi raziskovalnimi področji. Osredotočili se bomo na naslednje: 1) Razvili bomo sistem za ustvarjanje in prenos prepletenih fotonov, ki bo združljiv s kvantnimi pomnilniki. Sodelovali bomo pri prizadevanjih za vzpostavitev regionalnega kvantnega komunikacijskega omrežja in evropske kvantne komunikacijske infrastrukture z uporabo obstoječih optičnih povezav. 2) Razvili bomo napravo za optično lovljenje podmikronskih dielektričnih delcev v ultravisokem vakuumu, v kateri bomo uporabili optomehaniko v votlini za nadzor in hlajenje (upočasnjevanje) teh delcev. Raziskali bomo pripravo takšnih sistemov v neklasičnih stanjih. To bo ključega pomena za prihodnje poskuse in aplikacije v vesolju ter za občutljive meritve. 3) Raziskovali bomo nove kvantne pojave v ujetih atomih cezija pri izjemno nizkih temperaturah. Zgradili bomo nov instrument z možnostjo manipulacije atomov z optično pinceto, ki bo omogočal razporeditev atomov v izbrano mrežo in raziskovanje novih pristopov za kvantno simulacijo in kvantno podprto meroslovje, npr. za reševanje problemov optimizacije in za precizno magnetometrijo. 4) Z uporabo najsodobnejših kvantnih žarilnikov bomo izvajali temeljne raziskave na področju fizike kondenzirane snovi s poudarkom na neravnovesni kvantni dinamiki. Raziskali bomo uporabnost kvantnih žarilnikov za reševanje optimizacijskih problemov na področjih, kot so strojno učenje, znanost o materialih, biologija, farmacija in finance. Proučevali bomo kvantne brazgotine, ki kršijo temeljni koncept ergodičnosti. Razvili bomo učinkovite algoritme za popravljanje napak za kvantne žarilnike. 5) Razvili bomo nove eksperimentalne tehnike za preučevanje posameznih in sklopljenih superprevodnih kubitov. Poudarek bo na podrobnem preučevanju izvora energijske relaksacije in dekoherence v kubitih, povezanih z napakami v materialu in spojih, ter na interakciji z nadzorovanimi in nenadzorovanimi sistemskimi prostostnimi stopnjami v kompleksnih superprevodnih napravah. 6) Razvili bomo podrobno teorijo stanj v energijski reži ultramajhnih superprevodnikov, sklopljenih s kvantnimi pikami in podobnimi nanonapravami, poiskali nove tehnike merjenja in kontrole ter raziskali kompleksne sklope takšnih elementov. Zagotavljali bomo tudi splošno teorijsko podporo vsem eksperimentalnim prizadevanjem v programu ter raziskovali interagirajoče modele mnogih teles, ki opisujejo umetno izdelane sisteme, kot so Bose-Einsteinovi kondenzati, optične mreže in superprevodna vezja.
Pomen za razvoj znanosti
Kvantna fizika je temelj številnih raziskovalnih področij. Na njej, denimo, sloni večina raziskav v okviru atomskih, molekularnih in optičnih znanosti ter fizike trdnih snovi. Od sedemdesetih let prejšnjega stoletja dalje je postalo možno čedalje natančneje raziskovati in manipulirati s posameznimi kvantnimi objekti. Tudi najbolj nenavadni kvantni pojavi, kot sta superpozicija in prepletenost, se od tedaj uporabljajo na načine, ki so pred tem veljali za povsem nemogoče. Pionirski poskusi so bili opravljeni z elektroni, nevtroni, ujetimi ioni (in pozneje atomi), posameznimi fotoni in s superprevodnimi vezji. Ti poskusi so v celoti potrdili tudi najbolj neintuitivne napovedi kvantne teorije. Stopnja nadzora se je od takrat nenehno povečevala, koherenčni časi so se podaljševali, kvantni učinki so bili dokazani za čedalje bolj masivne in makroskopske objekte, robustnost eksperimentalnih postavitev in naprav pa se je le izboljševala. Zdaj smo na stopnji, ko nekatere izmed teh tehnologij prestopajo prag laboratorijev kot prototipi in celo končni izdelki. Kljub temu pa temeljne raziskave visoko koherentnih kvantnih sistemov vedno znova razkrivajo nove presenetljive učinke. Ena od pomembnih prihodnjih usmeritev je iskanje potrditve, da se ti koherentni učinki ohranjajo v vse bolj zapletenih sklopih, kar je pomembno tako za temeljno znanost (povezave med kvantnim in klasičnim svetom, mehanizmi dekoherence, "nelokalnost" kvantne fizike) kot za tehnologijo (npr. izvedljivost izgradnje kvantnih računalnikov z zelo velikim številom kubitov). Predlagani raziskovalni program zajema več raziskovalnih tem na širšem področju kvantne znanosti, ki pokrivajo vsa glavna področja kvantnih tehnologij (računanje, simulacije, komunikacijo, meroslovje in osnove kvantne fizike). Kvantna omrežja in zlasti distribucija prepletenosti kot kvantnega vira bodo osrednjega pomena za uresničitev pravega potenciala kvantnih tehnologij. Evropska prizadevanja so usmerjena v vzpostavitev mehanizmov za izgradnjo ali dobavo potrebne infrastrukture za kvantna omrežja in kvantno komunikacijo. V mnogo primerih je izziv pridobiti dostop do obstoječih telekomunikacijskih vlaken za kvantno komunikacijo brez motenj zaradi obstoječega prometa ali klasičnih ojačevalnikov, ki bi uničili kvantne signale. Ukvarjali se bomo s ključnimi elementi kvantnih omrežij: viri prepletenih fotonov, zamenjavo prepletenosti in pretvorbo frekvence fotona, kar bi omogočilo shranjevanje fotonskih kubitov v atomskih kvantnih pomnilnikih. Še zlasti ozkopasovni viri prepletenosti, ki so združljivi s kvantnimi pomnilniki, bodo bržkone imeli osrednjo vlogo pri razvoju obsežnih ali celo globalnih kvantnih omrežij. Na področju kvantno podprtega meroslovja in zaznavanja bomo razvili kvantne optomehanske sisteme za interakcijo mehanskih sistemov z neklasičnimi optičnimi stanji in za pripravo neklasičnih mehanskih stanj. To lahko na primer uporabimo za izvajanje kvantnih nedestruktivnih meritev in za premagovanje standardne kvantne limite pri kvantno izboljšanem zaznavanju in meroslovju. Kvantna optomehanika obeta možnost priprave masivnih mehanskih sistemov v neklasičnih stanjih. S tem bo mogoče opazovati časovni razvoj takšnih stanj in preverjati napovedi kvantne teorije na čedalje bolj masivnih objektih. Takšni testi bodo ključni za kvantitativno ugotavljanje, ali bodo vse bolj kompleksni in makroskopski kvantni sistemi pokazali kakšna odstopanja od napovedi kvantne fizike, npr. zaradi gravitacijskih učinkov ali zaradi še neznane fizike. Na področju kvantnega računanja in simulacij bomo razvili nove pristope za preučevanje kompleksnih materialov s prepletom različnih interakcij. To bo omogočilo uporabo v novih materialih, kot so snovi z dolgoživimi preklopljivimi metastabilnimi stanji, kvantne spinske tekočine in heterostrukture z vzorcem moiré. Kvantni simulatorji s hladnimi atomi za modeliranje delcev, ki skačejo po mreži, medtem ko občutijo močan medsebojni odboj, se lahko uporabijo za reševanje dolgo odprtih problemov, kot sta eksotični magnetizem in visokotemperaturna superprevodnost. Metode za preučevanje naprav, ki vsebujejo ultra majhne superprevodnike, bodo prav tako ključnega pomena pri načrtovanju kompleksnih struktur za uporabo v kvantnem računanju in simulaciji. Kvantni žarilniki (annealers) nam bodo omogočili preučevanje neravnovesne kvantne dinamike v sistemih, ki jih je težko simulirati klasično, kar bo omogočilo odkrivanje novih kvantnih pojavov in boljše razumevanje znanih. Natančno bomo ugotovili, kateri materiali iz realnega sveta so primerni za kvantno simulacijo. Pričakujemo, da bomo s preučevanjem delovanja kvantnega žarilnika z metodami strojnega učenja spoznali možnost uporabe kvantne korekcije napak pri kvantnem žarjenju. Dekoherenca in energijska relaksacija v najsodobnejših kubitih omejujeta razvoj obsežnih kvantnih računalnikov za splošne namene. Da bi presegli te omejitve in omogočili resno kvantno računanje, so bile predlagane različne sheme za kvantno odpravljanje napak, ki za kodiranje enega logičnega kubita uporabljajo veliko število fizičnih. Zmanjševanje virov dekoherence in energijske relaksacije v kubitih je ključnega pomena za omogočanje uporabnosti shem za popravljanje napak in zmanjšanje fizičnih kubitov v kvantnih računalniških arhitekturah. Razvoj novih tehnik za preučevanje virov izgub v kompleksnih kvantnih napravah je zato nujen za razumevanje izvora in zmanjšanje njihovih škodljivih učinkov ter s tem povečanje koherence večjih kvantnih naprav. V okviru projekta bomo tudi nadaljevali z razvojem teoretičnih orodij za probleme s področja kvantne fizike, ki so že prosto dostopna na spletu kot odprtokodna programska oprema in jih uporabljajo številni raziskovalci po vsem svetu, ter razvijali nove pakete.
Pomen za razvoj Slovenije
Evropska unija je spoznala, da so kvantne tehnologije strateško pomembne. Cilj EU je zagotoviti tehnološko suverenost Evrope, zmanjšati njeno odvisnost na ključnih področjih in razviti celovite tehnološke dobavne verige za nastajajočo industrijo. Slovenija se zdaj začenja vključevati v ta prizadevanja, na primer s sodelovanjem v pobudi EuroQCI, katere cilj je zgraditi kvantno komunikacijsko omrežje za dokazljivo varno komunikacijo brez možnosti prisluškovanja, ki bo povezala EU in njena čezmorska ozemlja. To bo izboljšalo evropsko kibernetsko varnost in konkurenčnost njene industrije. Člani programske skupine so se zavezali, da bodo sodelovali pri doseganju ciljev pobude EuroQCI z izgradnjo prvega preizkusnega sistema za kvantno komunikacijo. Kvantni pojavi bodo podlaga za nove tehnološke aplikacije na številnih področjih človekovega delovanja. Kvantno zaznavanje se bo uporabljalo v medicini za spremljanje zdravja in za personalizirana zdravila, pri daljinskem zaznavanju za spremljanje okolja in v sistemih zgodnjega opozarjanja, ki temeljijo na gravimetriji, za opozarjanje na bližajoče se potrese, kar bo omogočilo ljudem poiskati zatočišče in zaustavitev ranljive infrastrukture (npr. jedrski reaktor). Izboljšane atomske ure bodo omogočile napredek na področju satelitske navigacije, meroslovja in vzdrževanja merilnih standardov. Nedavno posodobljeni mednarodni sistem enot (SI) zdaj v celoti temelji na kvantnih pojavih: natančnost je omejena le s kvantno strukturo narave in z našimi tehničnimi zmožnostmi merjenja. Javna uprava in javne zadeve bodo imele koristi od napredka na področju komunikacijskih in informacijskih tehnologij. Industrija bo imela koristi od napredka na področju kvantnega računalništva, ki bo na primer omogočil hitro reševanje optimizacijskih problemov, na primer v logistiki, kjer so že majhni prihranki zelo pomembni pri velikem obsegu in kjer lahko hitrejši čas za pridobitev rešitev zagotovi veliko konkurenčno prednost. Pomembne zgodnje aplikacije se pričakujejo tudi v kvantni kemiji, na primer za kompleksne materiale ali biološko pomembne molekule (vključno s farmacevtskimi izdelki), gnojila, itd. Kvantno računalništvo se bo uporabljalo tudi pri strojnem učenju, saj obljublja veliko hitrejše učenje. Člani programske skupine bomo skrbeli za sodelovanje Slovenije v omenjenih globalnih prizadevanjih in zagotavljali povezavo s slovenskimi partnerji (industrija, vlada, javne ustanove). Z raziskovalno odličnostjo bomo promovirali Slovenijo v tujini, in sicer tako, da bomo na ključnih področjih sledili svetovni raziskovalni skupnosti, organizirali mednarodne znanstvene konference in delavnice, imeli vabljena predavanja in seminarje na pomembnih srečanjih in institucijah ter aktivno sodelovali v bilateralnih projektih in projektih EU. Na ta način bomo bogatili nacionalno znanstveno in kulturno dediščino. V okviru tega raziskovalnega programa bomo začeli razvijati tudi kritično infrastrukturo, ki bo omogočila nadaljnji razvoj kvantne znanosti v Sloveniji. Ustanovili bomo prve laboratorije na teh področjih v državi, gradili instrumente, nabirali znanje in izkušnje ter usposabljali in izobraževali naslednjo generacijo raziskovalcev, tako za akademske raziskave kot za industrijski razvoj, in sicer na področjih, ki zajemajo fiziko, kvantno kemijo, računalništvo, elektrotehniko in matematiko. Sodelovali bomo pri vzdrževanju najsodobnejših računskih zmogljivosti (npr. računske gruče odseka F1 na IJS) in vzpostavljanju osnovnih programskih sklopov za modeliranje in snovanje kvantnih sistemov. Pridobili bomo dostop do kvantnih računalniških zmogljivosti, ki se vzpostavljajo po svetu, si prizadevali za specifično usposabljanje in proučevanje uporabne vrednosti takšne strojne opreme ter pridobljeno znanje širili med vse zainteresirane v Sloveniji. Delovali bomo kot središče, ki bo omogočalo lažji dostop do velikih računskih zmogljivosti v tujini. Kadar bo le mogoče, bomo v naših raziskovalnih laboratorijih uporabljali prototipne sisteme, ki so jih razvila slovenska podjetja, in s tem omogočili njihovo predstavitev na svetovnem trgu. Prizadevali si bomo za sodelovanje z nacionalno industrijo na ravni preizkusa koncepta. Obetavna vrsta kvantnih senzorjev so ultraobčutljivi atomski magnetometri za zaznavanje magnetnih polj in gradientov magnetnih polj, ki jih trenutno raziskujemo za različne aplikacije, vključno z dinamičnimi meritvami biomagnetnih polj, zaznavanjem signalov v NMR in MRI, inercijskim zaznavanjem rotacije in magnetno mikroskopijo s hladnimi atomi. Raziskali bomo možnosti za zaznavanje šibkih signalov jedrske kvadrupolne resonance iz eksplozivov, prepovedanih drog in farmacevtskih izdelkov. Okrepili bomo svoje dejavnosti informiranja širše javnosti, politike in industrije. Ozaveščali bomo javnost o kvantni znanosti in tehnologiji. Napisali smo že veliko časopisnih člankov za splošne bralce, sodelovali v številnih radijskih in televizijskih intervjujih, imeli javno predavanje v okviru evropskega kvantnega tedna 2020, organizirali pa bomo tudi lokalne dejavnosti na svetovni kvantni dan, ki bo predvidoma 14. aprila 2022.
