Międzynarodowe Centrum Teorii Technologii Kwantowych na Uniwersytecie Gdańskim

Wielkimi krokami nadchodzi druga kwantowa rewolucja. Pierwszą, która rozegrała się w XX wieku, było powstanie i rozwinięcie teorii kwantów. Dowiedziono wówczas, że prawa rządzące tymi najmniejszymi cząstkami, nazywane mechaniką kwantową, są zupełnie inne niż prawa fizyki klasycznej, dotyczące dużych obiektów. Pierwsza rewolucja pozwoliła stworzyć takie urządzenia jak tranzystory czy lasery kwantowe. Zbliżająca się druga rewolucja kwantowa oznacza powstawanie urządzeń, których działanie wykorzystuje najdziwniejsze, wręcz paradoksalne, aspekty praw mechaniki kwantowej, zjawiska klasycznie niewyobrażalne i nieopisywalne. Polską odpowiedzią na te wyzwania będzie Międzynarodowe Centrum Teorii Technologii Kwantowych.

Międzynarodowe Centrum Teorii Technologii Kwantowych to nowy ośrodek naukowy powstający na Uniwersytecie Gdańskim w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze, realizowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Jego założycielem i dyrektorem będzie prof. dr hab. Marek Żukowski, a współzałożycielem i liderem jednej z grup naukowych pracującej w jego ramach ‒ prof. dr hab. Paweł Horodecki.

Rodzące się technologie kwantowe będą miały różnorodne praktyczne zastosowania. Dzięki mechanice kwantowej możliwe jest konstruowanie urządzeń i protokołów przetwarzania informacji niemożliwych do uzyskania przy pomocy metod klasycznych. Są to na przykład niezawodne systemy zapewniające cyberbezpieczeństwo danych (np. kwantowa kryptografia, czyli szyfry nie do złamania), superczułe czujniki kwantowe (możliwe do zastosowania w chemii, biologii i medycynie), zegary atomowe i komputery kwantowe (z niemożliwymi klasycznie oprogramowaniem i algorytmami). Europejscy, w tym polscy naukowcy, odnieśli w ostatnich dekadach wiele znaczących sukcesów dotyczących badań podstawowych nad tymi technologiami. Znacznie gorzej wyglądała jednak komercjalizacja uzyskiwanych wyników. Teraz ma się to zmienić, a rezultaty badań nad technologiami kwantowymi mają zostać przekute na praktyczne produkty. Temu właśnie służy unijny projekt Quantum Technology Flagship, który ruszy w 2018 roku. Jego realizacja jest przewidziana na 10 lat i ma kosztować miliard euro.

„Polska ma ogromny potencjał naukowy w dziedzinie mechaniki kwantowej, jednak aby odegrać ważną rolę w programie Flagship, potrzebuje nowych placówek badawczych, skupiających się na technologiach kwantowych, dysponujących odpowiednimi funduszami i zdolnych zatrudnić najlepszych międzynarodowych specjalistów. Taką właśnie placówką będzie Międzynarodowe Centrum Teorii Technologii Kwantowych” ‒ stwierdza prof. Marek Żukowski. Partnerem zagranicznym, tworzonego przez niego i prof. Pawła Horodeckiego, nowego ośrodka będzie Instytut Optyki Kwantowej i Informatyki Kwantowej (IQOQI) Austriackiej Akademii Nauk w Wiedniu.

Jakie konkretnie zagadnienia będą rozwijane w Międzynarodowym Centrum Teorii Technologii Kwantowych w Gdańsku? Założyciele nowego ośrodka wymieniają m.in. „samo-testującą się” kryptografię kwantową i absolutnie bezpieczne kody kryptograficzne, generatory liczb prawdziwie losowych, przeróżne kwantowe protokoły komunikacyjne oraz prace koncepcyjne dotyczące komputerów kwantowych i ich „bramek logicznych”. Jeśli chodzi o komputery kwantowe, to ośrodek będzie się zajmował zarówno opracowaniem kwantowego oprogramowania (algorytmów), jak i architekturą sprzętu, czyli systemów fizycznych będących implementacją tych algorytmów. Informatyka kwantowa to młoda dyscyplina, w której ważniejsze jest opracowywanie nowych metod niż doskonalenie metod już stosowanych. Dlatego zamiast szukać potwierdzenia znanych hipotez, naukowcy chcą proponować nowe rozwiązania, protokoły i pomysły, opracowywać metody „w locie”, a także łączyć pozornie niezwiązane ze sobą metody z różnych poddyscyplin, których nikt dotąd nie łączył.

Jak zaznaczają naukowcy, to bardzo dobry czas na tego typu ambitne inicjatywy badawcze, gdyż obecnie technologiami kwantowymi interesują się duże komercyjne przedsiębiorstwa, takie jak IBM, Google czy Microsoft. W niedługiej przyszłości badania te mogą więc przynieść ogromne korzyści gospodarcze.

Kim są założyciele ośrodka?

Prof. dr hab. Marek Żukowski jest fizykiem kwantowym, absolwentem Wydziału Matematyki, Fizyki i Chemii Uniwersytetu Gdańskiego (UG). Od początku swojej pracy naukowej jest związany z UG (choć habilitację uzyskał na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu). Jest dyrektorem Instytutu Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki UG i jednym z redaktorów amerykańskiego czasopisma „Physical Review”. Był profesorem wizytującym wielu zagranicznych uczelni, m.in.: Uniwersytetu w Innsbrucku, Tsinghua University w Pekinie oraz Chińskiej Akademii Nauk, a obecnie Uniwersytetu w Wiedniu. Jest członkiem Rady Narodowego Centrum Nauki. Jest laureatem wielu programów FNP: MISTRZ, TEAM, COPERNICUS. W 2013 roku otrzymał Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, uznawaną za najważniejsze wyróżnienie naukowe w naszym kraju. Jego najbardziej znana praca to artykuł w „Physical Review Letters” (Żukowski, Zeilinger, Horne, Ekert; 1993) wprowadzający pojęcie wymiany splątania i ogólne operacyjne metody potrzebne do przeprowadzenia kwantowej teleportacji i konstrukcji wielofotonowych stanów splątanych. Inne osiągnięcia profesora to m.in. eksperymentalne wykluczenie szerokiej klasy nielokalnych teorii z ukrytymi zmiennymi (Zeilinger i in. Nature; 2007) oraz wprowadzenie nowej zasady fizyki: informacyjnej przyczynowości (Pawłowski i in. Nature; 2009).

Prof. dr hab. Paweł  Horodecki jest fizykiem kwantowym, absolwentem Wydziału Matematyki i Fizyki Uniwersytetu Gdańskiego. Doktorat (z wyróżnieniem) uzyskał na Politechnice Gdańskiej, a habilitację na Uniwersytecie Gdańskim. Obecnie pracuje w Katedrze Fizyki Teoretycznej i Informatyki Kwantowej Wydziału Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Politechniki Gdańskiej. Członek Rady Krajowego Centrum Informatyki Kwantowej, którego był współtwórcą. Jest jednym z twórców kryterium Horodeckich (1996) pozwalającego stwierdzić, czy dany stan kwantowy jest splątany (artykuł zawierający ten wynik jest najliczniej cytowaną oryginalną pracą naukową w całej historii UG). Jest też jednym z odkrywców tzw. splątania związanego (Physical Review Letters; 1998), a także wielu podstawowych praw informacji kwantowej. Laureat programu START Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, zespołowej nagrody im. Rubinowicza Polskiego Towarzystwa Fizycznego oraz szeregu Nagród Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

 

Jak nabyte w ciągu życia mutacje w normalnych komórkach prowadzą do nowotworów

Nowotwory można zaliczyć do swoistego rodzaju chorób genetycznych. W wieloetapowym procesie powstawania i rozwoju nowotworu mamy bowiem do czynienia z rozchwianiem genomu i pojawianiem się w nim licznych mutacji. Zdecydowana większość z nich to zmiany genetyczne, nie odziedziczone po rodzicach, lecz nabyte w ciągu życia, np. wskutek działania różnych czynników, jak palenie tytoniu, zła dieta, czy infekcje niektórymi wirusami. Prof. dr Jan Dumański z Uniwersytetu w Uppsali w Szwecji i dr hab. prof. nadzw. GUMed Arkadiusz Piotrowski z Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego planują otworzenie nowego ośrodka naukowego specjalizującego się w badaniach nad anomaliami genetycznymi nabytymi w ciągu życia jako czynnikami ryzyka nowotworów i innych chorób. Ośrodek powstanie na Gdańskim Uniwersytecie Medycznym w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze prowadzonego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

Choć nowotwory u ludzi mogą się rozwijać na tle wrodzonych predyspozycji genetycznych, to te tzw. nowotwory genetyczne stanowią zaledwie kilka procent wszystkich przypadków raka. Tymczasem, o dziedziczonych mutacjach, predysponujących do powstania różnych chorób nowotworowych, współczesna nauka wie już całkiem sporo, a znacznie mniej poznane są – występujące znacznie częściej – aberracje genetyczne nabywane w ciągu życia człowieka, także skutkujące rozwojem raka.

Zmiany w genomie powstające w ciągu całego życia nazywane są mutacjami pozygotycznymi (postzygotic mutations, PZM). Obejmują one szeroki zakres mutacji: od zmiany pojedynczego nukleotydu, przez rearanżacje strukturalne w chromosomach, aż po aberracje całych chromosomów. PZM są tak częste i powszechne, że prawdopodobnie w całym organizmie nie ma dwóch komórek, które byłyby identyczne pod względem genetycznym. To właśnie mutacje pozygotyczne sprawiają, że nawet jednojajowe bliźnięta, rozwijające się z jednej zygoty, nie są swoimi identycznymi genetycznymi kopiami. „Mutacje pozygotyczne uchodzą za produkt uboczny starzenia się normalnych komórek, ale mogą być też czynnikami ryzyka raka i innych chorób. Przykładem takiej pozygotycznej aberracji jest zanik chromosomu Y w leukocytach mężczyzn. Wiemy już, że nieprawidłowość ta zwiększa prawdopodobieństwo zachorowania na nowotwory, a także na chorobę Alzheimera. Głównym celem zaproponowanego przez nas programu badawczego jest opracowanie genetycznej i funkcjonalnej charakterystyki tych mutacji oraz podjęcie próby wykorzystania jej w przedklinicznej diagnostyce chorób nowotworowych, czyli zanim jeszcze pojawią się pierwsze oznaki raka lub będzie można go stwierdzić radiologicznie. Ponieważ w ogromnej większości przypadków wczesna diagnoza nowotworu decyduje o szansach na wyleczenie, nasze badania mogą mieć duży wpływ na zmniejszenie śmiertelności wśród pacjentów onkologicznych” ‒ mówi prof. Jan Dumański.

W pierwszych latach działania ośrodka naukowcy będą zajmować się przede wszystkim znaczeniem PZM w rozwoju raka piersi u kobiet, raka prostaty u mężczyzn, raka okrężnicy i pęcherza u obu płci, a także choroby Alzheimera u mężczyzn w związku z występującą u nich utratą chromosomu Y. Będą próbowali zidentyfikować konkretne mutacje pozygotyczne najbardziej istotne z punktu widzenia podatności na te choroby. Wymaga to zgromadzenia kilku tysięcy próbek klinicznych, pobranych specjalnie do tego celu, od pacjentów z różnymi typami nowotworów i w różnych stadiach zaawansowania choroby. Zbierane próbki będą pochodzić z guzów nowotworowych, węzłów chłonnych, odległych przerzutów, tkanek niezajętych leżących w sąsiedztwie guza pierwotnego, a także z krwi i skóry. Wszystkie próbki zostaną zgromadzone w Centralnym Banku Tkanek i Materiału Genetycznego Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego. Następnie, aby określić rodzaj, mechanizm i częstość występowania w nich PZM, naukowcy przeprowadzą szereg zaawansowanych analiz genetycznych i molekularnych. Badania te mogą doprowadzić do znalezienia nowych biomarkerów ryzyka raka. Nowe biomarkery mogą zostać następnie opatentowane i stać się podstawą testów diagnostycznych, a także nowych terapii.

Jednym z ciekawszych problemów badawczych, które będą analizowane w nowym ośrodku jest utrata chromosomu Y (LOY) zachodząca w leukocytach mężczyzn i przyczyniająca się do powstania wielu chorób, w tym nowotworowych, Alzheimera czy miażdżycy. Zjawisko to może wyjaśniać obserwowaną różnicę w długości życia pomiędzy kobietami a mężczyznami, na niekorzyść mężczyzn. „Chcemy rozstrzygnąć, w jaki sposób LOY w leukocytach wpływa na procesy chorobowe w innych narządach. Zgodnie z najbardziej przekonującą hipotezą, wyjaśniającą te związki, utrata chromosomu Y jest związana z upośledzeniem nadzoru immunologicznego, jaki układ odpornościowy (w tym leukocyty) sprawuje nad innymi komórkami. Zdrowe leukocyty eliminują wszystkie komórki różniące się od prawidłowych, natomiast po utracie chromosomu Y proces staje się znacznie mniej wydajny. Jeśli nasze badania potwierdzą tę hipotezę, analiza LOY we krwi mężczyzn w podeszłym wieku mogłaby stać się nowym, klinicznie przydatnym biomarkerem kilku powszechnych chorób” ‒ mówi prof. Jan Dumański.

Kim są założyciele ośrodka?

Prof. dr Jan Dumański pochodzi z Krakowa, gdzie w latach 1979-1984 studiował na Akademii Medycznej (obecnie Collegium Medicum UJ). W 1985 roku rozpoczął badania naukowe na Wydziale Genetyki Klinicznej w Instytucie Karolinska w Sztokholmie w Szwecji. Tam się doktoryzował, a następnie uzyskał tytuł profesora w dziedzinie molekularnej genetyki medycznej. Od roku 2000 pracuje na Uniwersytecie w Uppsala w Szwecji, na Wydziale Immunologii, Genetyki i Patologii. Był także profesorem Uniwersytetu Alabama w Birmingham w USA (2006-2008), gdzie kierował Centrum Badań Genetycznych Człowieka im. Howell i Elisabeth Heflin. Uczestniczył w wielu międzynarodowych projektach badawczych dotyczących genetyki nowotworów, molekularnych podstaw metastazy, czy mechanizmów stojących za predyspozycjami do zachorowań na nowotwory.

 

 

 

 

Dr hab. Arkadiusz Piotrowski, prof. nadzw. GUMed jest absolwentem Międzyuczelnianego Wydziału Biotechnologii Uniwersytetu Gdańskiego i Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego (GUMed). Stopień dr n. farm. uzyskał w 2002 roku na Wydziale Farmaceutycznym z Oddziałem Medycyny Laboratoryjnej (OML) GUMed. Po doktoracie pracował na Wydziale Immunologii, Genetyki i Patologii Uniwersytetu w Uppsala w Szwecji (2003-2006) oraz na Wydziale Genetyki Uniwersytetu Alabama w Birmingham w USA (2006-2008). Z tym ostatnim ośrodkiem pozostaje związany do dzisiaj jako adjunct professor oraz realizując wspólne międzynarodowe projekty naukowe (m.in. grant Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych). Od 2017 roku pełni funkcję Prodziekana ds. Nauki na Wydziale Farmaceutycznym z OML Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego. Jest laureatem programów Fundacji na rzecz Nauki Polskiej: FOCUS  i MENTORING. Główny obszar badawczy dr. hab. Piotrowskiego stanowią mozaikowatość somatyczna oraz rearanżacje strukturalne genomu w kontekście nowotworów i rzadkich chorób genetycznych.

 

Kwantowe technologie optyczne na Uniwersytecie Warszawskim

Kraje, które dziś zainwestują w badania nad technologiami kwantowymi, już za kilka-kilkanaście lat mogą osiągnąć naprawdę duże korzyści społeczne i gospodarcze – przewidują analitycy rynku. A tymczasem fizycy, informatycy i inżynierowie intensywnie pracują nad przełożeniem przełomowych odkryć, dokonanych w ostatnich dekadach w obszarze mechaniki kwantowej, na praktyczne rozwiązania i produkty, stosowane w życiu codziennym. Taki cel przyświeca rozpoczynającemu się wkrótce ogromnemu unijnemu programowi Quantum Technology Flagship. W światowy trend wpisuje się również nowy ośrodek naukowy, tworzony na Uniwersytecie Warszawskim przez prof. dr. hab. Konrada Banaszka, laureata programu Międzynarodowe Agendy Badawcze prowadzonego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Nowa placówka będzie skupiała się na kwantowych technologiach optycznych, a jej partnerem strategicznym będzie Uniwersytet w Oksfordzie.

Agenda badawcza tworzona przez prof. Konrada Banaszka proponuje bardzo atrakcyjne spojrzenie na fizykę kwantową z perspektywy nowych technologii. Nadrzędną intencją jest kompleksowe badanie układów optycznych na poziomie kwantowym w celu opracowania zupełnie nowych sposobów komunikacji, detekcji, metrologii, obrazowania i innych praktycznych zastosowań. Pojęcie „układy optyczne” jest rozumiane szeroko i obejmuje układy fizyczne, które dają się przygotowywać, manipulować i mierzyć za pomocą światła. Układy te, to m.in. atomy, cząsteczki, ciała stałe oraz układy optomechaniczne, a zakres ich potencjalnych implementacji jest bardzo szeroki.

„W podejściach konwencjonalnych wszystkie wykorzystywane istotne parametry mają dobrze zdefiniowane znaczenie makroskopowe. W opisie kwantowym centralną rolę odgrywają natomiast stany kwantowe, które zawierają pełną charakterystykę opisywanych obiektów fizycznych, ale nie są bezpośrednio dostępne. Analiza tradycyjnych metod na gruncie mechaniki kwantowej wyznacza ich granice możliwości. W wielu technologiach optycznych znane są one jako ograniczenia związane z „szumem śrutowym”, wynikającym z kwantowej natury światła, którego elementarnymi „ziarnami” są fotony. Na przykład, w tradycyjnych metodach obrazowania i mikroskopii, szum śrutowy wyznacza teoretyczną granicę dokładności obrazu i ogranicza możliwości zwiększenia rozdzielczości poza granice dyfrakcji. W łączności optycznej prawdopodobieństwo wystąpienia błędu dla standardowych systemów kodowania zależy w określony sposób od dostępnej mocy sygnału. Gdy jednak weźmie się pod uwagę strategie dozwolone przez mechanikę kwantową, to okazuje się, że optymalne wyniki możliwe do uzyskania za pomocą rozważanych protokołów są znacznie lepsze, niż wynikałoby z tych ograniczeń. Główna przyczyna leży w możliwości przygotowania, manipulowania i detekcji systemów kwantowych w sposób wykraczający poza metody konwencjonalne, oparte wyłącznie na wielkościach makroskopowych” ‒ mówi prof. Konrad Banaszek.

Przykładem zastosowań mechaniki kwantowej są nowatorskie metody pomiarowe z wydajnością i czułością, które nie są osiągalne metodami tradycyjnymi. Kwantowe sensory mogą być w przyszłości wykorzystywane np. w badaniach geologicznych (gdyż zapewniają bardzo dokładne pomiary gradientów pola grawitacyjnego) oraz do monitorowania środowiska (gdyż wykrywają śladowe ilości substancji chemicznych). Magnetometria wykorzystująca koherentnie kontrolowane systemy kwantowe, takie jak centra barwne w diamencie, może natomiast radykalnie uprościć diagnostykę medyczną opartą np. o metodę rezonansu magnetycznego. Techniki komunikacji kwantowej mogą przynajmniej częściowo rozwiązać problem cyberbezpieczeństwa i kradzieży tożsamości w Internecie. A wykorzystujące kwantowe efekty zaawansowane metody oświetlania próbek i obrazowania mogą otworzyć zupełnie nowe horyzonty w badaniach biomedycznych. Jak podkreśla prof. Konrad Banaszek, to tylko kilka przykładów praktycznych wdrożeń inżynierii kwantowej, wiele innych dopiero czeka na odkrycie.

Kim jest założyciel ośrodka?

Prof. dr hab. Konrad Banaszek jest fizykiem od wielu lat związanym z Wydziałem Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Po uzyskaniu stopnia doktora na UW w 2000 r., odbył staże zagraniczne na Uniwersytetach w Rochester (Stany Zjednoczone) i Oksfordzie (Wielka Brytania). Jest autorem bądź współautorem ponad stu artykułów naukowych z dziedziny szeroko pojętych technologii kwantowych. W ostatniej dekadzie koordynował trzy projekty finansowane ze środków 7. Programu Ramowego Unii Europejskiej oraz był dwukrotnym laureatem programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, a także stypendystą w programie START FNP. Obecnie, poza pracą badawczą na Uniwersytecie Warszawskim (w Centrum Nowych Technologii UW kieruje Laboratorium Technologii Kwantowych), jest koordynatorem naukowym europejskiej inicjatywy QuantERA skupiającej 32 agencje grantowe z 26 krajów pod przewodnictwem Narodowego Centrum Nauki.

Cofnij