Dlaczego warto znajdować niszę? Czy szczęście naprawdę sprzyja lepszym? Gdzie w fizyce jest miejsce na czułość? Rozmawiamy z dr. hab. Michałem Parniakiem z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych w Centrum Nowych Technologii UW (CeNT) i Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.
Serwis Naukowy UW: Zawsze chciał Pan być fizykiem?
Dr hab. Michał Parniak: – Dobre pytanie. Nie. W liceum chciałem być chemikiem. Początkowo dość często zmieniałem marzenia i zainteresowania. Dopiero w czasie studiów zaczęło się to klarować.
Jak rzeczywistość ma się do wyobrażeń o tym, co można robić, będąc fizykiem?
– Wyobrażenia, z jakimi zaczynamy studia, są często związane z fizyką fundamentalną, tj. odkrywaniem praw, o których jeszcze nie wiemy. Ja zajmuję się czymś trochę innym, nazwijmy to – inżynierią kwantową. Polega to nie tyle na odkrywaniu, ile na wymyślaniu pewnych rzeczy. To mi bardziej odpowiada.
Co pomaga w pracy?
– Na pewno współpracownicy. Wszystko, o czym pisałem i o czym ostatnio się mówi, to są osiągnięcia całego zespołu, łącznie z osobami, które mnie uczyły, jak i studentami, którzy ze mną pracują. Myślę, że na nasz uniwersytet ściągamy w tej chwili większość najlepszych studentów fizyki. Praca z ludźmi jest niezwykle pomocna, a nam udaje się stworzyć bardzo prężne środowisko naukowe.
W pracy naukowej na pewno pomaga duża wolność wyboru. Trzeba oczywiście patrzeć na swoje plany realistycznie, rozważyć, co może zostać sfinansowane, co nie może – natomiast w mojej dziedzinie te plany nie podlegają wielkiej weryfikacji na jakichś najwyższych poziomach. Nie budujemy akceleratora cząstek za 100 miliardów, tylko eksperymenty, nad którymi możemy całkowicie sami zapanować. Nie musimy też bardzo się za kimś oglądać, by znaleźć to, co chcielibyśmy zrobić. Oczywiście, oglądanie się za innymi polega na tym, aby wpisać się w to, co jest ważne w tej chwili albo co – jak nam się wydaje – będzie ważne za 5 lat. Ale to kwestia przewidywania, a nie narzucania tematów.
Łyżka dziegciu. Co przeszkadza w prowadzeniu badań?
– Oczywiście – finansowanie. Nigdy nie jest nadmiernie stabilne. Teraz jest w porządku, ale w zeszłym roku było trudniej, a planów nie można za bardzo zrobić na więcej niż 5 lat. W tej chwili mam szczęście – finansowanie z programu Międzynarodowe Agendy Badawcze FNP (Fundacja na rzecz Nauki Polskiej – przyp. red.), ale gdybyśmy rozmawiali rok temu, byłbym sfrustrowany.
Jak się żyje badaczowi w Polsce w warunkach, o których już Pan powiedział?
– Badacz, który jest aktywny i stara się łączyć badania naukowe z praktycznymi aplikacjami, jest bardzo zajęty. Jednak możliwości jest sporo, a praca jest fascynująca.
Mówił Pan, że trzeba się wpisywać w trendy. W opisie Pana zainteresowań można wyczytać: informatyka kwantowa, praca nad technologiami komunikacji optycznej. Przymiotnik kwantowy pojawia się przy okazji odbiornika – o czym porozmawiamy – i Europejskiej Agencji Kosmicznej. Jeśli chodzi o wpisywanie się w trendy, najwyraźniej nie ma Pan z tym problemów. Rok 2025 został ogłoszony Rokiem Kwantowej Nauki i Technologii, chyba trudno lepiej się wpisać.
– To prawda. Zająłem się technologiami kwantowymi w momencie, kiedy one już były troszeczkę wschodzące, teraz mamy szczyt. Nie wiadomo, czy tak będzie dalej. W ramach technologii kwantowych staramy się rozwijać technologie nieco niszowe. Próbujemy strategicznie wybierać takie projekty, w których nasza ekspertyza pozwala nam uzyskać jakąś przewagę w skali światowej.
Jednym z Pana pierwszych ważnych projektów było urządzenie zdolne do zapamiętywania światła i przechowywania go w postaci pamięci kwantowej, tak?
– Tak jest.
To był pierwszy krok, potem kroków było trochę więcej i za którymś pojawił się procesor kwantowy.
– Powiedzmy więcej o tej naszej drodze… Po skończeniu pracy magisterskiej zajmowałem się dość prostymi technologiami, już kwantowymi, ale opartymi na prostym układzie z atomami, laserami. Gdy zaczynałem doktorat, postanowiliśmy z zespołem, że zrobimy bardziej zaawansowany układ atomowy, który nazywa się pułapką magnetooptyczną. Pozwala ona chłodzić atomy za pomocą laserów, dzięki temu możemy lepiej je kontrolować i mają one więcej ciekawych zastosowań. Udało nam się bardzo szybko taki układ zbudować i zademonstrować – po raz pierwszy – działanie takiego protokołu pamięci kwantowej dla światła, która działała nie tylko dla jednego fotonu jednocześnie, co już wcześniej ktoś potrafił zrobić, ale dla wielu różnych kanałów. Tych kanałów udało nam się wówczas uzyskać ok. 600. To było trzy razy więcej niż pokazała w tym samym roku (nieco inną metodą) pewna chińska grupa. Nasza pamięć, dzięki swojej rekordowości, mogła też mieć pewne dodatkowe cechy, tzn. odkryliśmy, a może nawet mocniej trzeba powiedzieć, wymyśliliśmy, że światło, które jest przechowane w tej pamięci, możemy trochę poprzetwarzać.
Proszę sobie wyobrazić, że, tak jak w normalnym komputerze, mamy pamięć i następnie ładujemy to do procesora; tam dzieją się bardzo skomplikowane operacje. Zaproponowaliśmy: OK, może nie jesteśmy jeszcze w stanie robić dowolnie skomplikowanych operacji, szczególnie kwantowych, ale jesteśmy w stanie wykonać pewne proste operacje, nie wyjmując fotonów z pamięci. Czyli mamy procesor dla światła, który może to światło modyfikować. To jest już urządzenie, które pozwala uzyskać ze światła więcej informacji niż to klasycznie było dozwolone – pozwala na każdą ilość światła trochę gęściej zakodować informacje. To właśnie był procesor kwantowy, który zademonstrowaliśmy.
W którym momencie w Pana działanie wkroczyła Europejska Agencja Kosmiczna?
– Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) pojawia się po tym, jak wyjechałem na postdoca (praca badawcza po obronie doktoratu – przyp. red.). Byłem dwa lata w Kopenhadze, wróciłem jako lider grupy badawczej. Wtedy zajęliśmy się nowym tematem. Mieliśmy grant, który pozwolił nam zakupić odrobinę nowej aparatury, mówimy o sprytnym i strategicznym zakupie czterech laserów…
Czyli wcale nie kosmiczne pieniądze…
– Tak, dokładnie. Taka mała inwestycja. Natomiast ta inwestycja pozwoliła nam zrobić demonstrację w zupełnie nowym układzie. Przenosimy się z procesora pamięci w dużo prostszy układ – atomy są wzbudzane do specjalnie przygotowanych stanów za pomocą tych nowych laserów. Te stany są bardzo wrażliwe na mikrofale. W ten sposób zrobiliśmy jednocześnie detektor oraz konwerter mikrofal na światło, który zmienia energię mikrofal i pozwala je znacznie bardziej czule wykrywać. Opublikowaliśmy wyniki w znaczącym piśmie – „Nature Photonics”. No i po tym artykule zgłasza się Europejska Agencja Kosmiczna: Cześć, słuchajcie, tak się składa, że sensory kwantowe (nasz wynalazek to jest de facto właśnie rodzaj sensora kwantowego) obieramy jako jeden z naszych priorytetów rozwojowych. Wygląda na to, że w Europie jesteście praktycznie jedną z dwóch grup, które się zajmują sensorami tego typu. Chcielibyśmy współpracować. Tak mniej więcej brzmiał przekaz. Druga grupa to – aktualnie już nasi znajomi – naukowcy z University of Durham w Wielkiej Brytanii.
Zaczęło się od kilku rozmów, w końcu dostaliśmy od Europejskiej Agencji Kosmicznej zlecenie, w ramach którego mamy zbudować prototyp-demonstrator takiego sensora kwantowego. On jeszcze nie ma lecieć w kosmos, ale ma zadziałać poza laboratorium. ESA ocenia to, co chcemy zrobić, na poziom gotowości technologicznej 3, gdzie 9 znaczy, że lecimy w przestrzeń kosmiczną. To jedna rzecz, natomiast nie jedyne pole naszej kooperacji. Aktualnie, w ramach współpracy naukowej z Europejską Agencją Kosmiczną, przygotowujemy wspólną publikację, która będzie mapą drogową użycia sensorów kwantowych tego rodzaju w kosmosie.
Mapa drogowa brzmi dobrze. Przełóżmy jeszcze język fizyki na język bardziej zrozumiały dla przeciętnego człowieka. Myślimy, że fizyka to rzeczy odległe. A fizyka jest wszędzie – w mikrofalówce, w komputerze. Badania, które Pan prowadzi, mają szanse na bardzo praktyczne zastosowanie – mogą służyć do powstania bezpieczniejszych technologii, do bezpieczniejszego przesyłania danych, które będą odporne na podglądanie i podsłuchiwanie.
– Tak.
Coś jeszcze?
To zagadnienie związane z kryptografią kwantową daje możliwość zabezpieczania się przed podglądaniem. Aktualnie ludzkość potrafi bez użycia naszych pomysłów przesłać takie dane na parę kilometrów. Ale na 100 km – już nie. Na 100 km i więcej potrzebne są pamięci kwantowe. Nasza pamięć kwantowa jest krokiem w tym kierunku.
Z drugiej strony, gdy mówimy o sensorach kwantowych i o naszych badaniach dla Europejskiej Agencji Kosmicznej, chodzi o trochę co innego. To są badania nad promieniowaniem elektromagnetycznym – od radiowego, przez mikrofalowe, po tzw. fale milimetrowe, czyli teraherce. Teraherce pozwalają nam prześwietlać różne rzeczy albo np. badać ich temperaturę, odbiciowość. Teraherce to rzadkość. Są być może dwa miejsca, gdzie je spotykamy. Sieci 5G się do nich jednak zbliżają, a dla kolejnej generacji (6G) będą już konieczne. Druga rzecz to skanery lotniskowe (ale nie chodzi o detektory metali), które pozwalają zobaczyć, co mamy na sobie, w sposób, który jest milion razy bardziej bezpieczny niż gdyby mieli nas skanować promieniami X, rentgenowskimi. Na lotnisku promienie rentgenowskie skanują tylko nasze bagaże, ale nas nie, to by było zbyt niebezpieczne. A teraherce mają energię mniejszą niż światło; jeśli chodzi o energetyczność promieniowania, są bezpieczniejsze niż światło z żarówki.
Konstruujemy detektory na promieniowanie terahercowe. Dzięki użyciu nowej technologii są one dużo bardziej czułe, więc będę mogły służyć w różnego rodzaju urządzeniach, które badają materiały. Mogą być również zamontowane w radarach, w odbiornikach telekomunikacyjnych, także w satelitach. W wypadku satelity często chodzi o to, żeby skierować go w stronę Ziemi i ją obserwować. Dowiemy się wówczas, na przykład, kto i co nadaje. Ale dowiemy się też, jaka jest odbiciowość chmur, jaka jest ich temperatura, jaka jest temperatura gruntu; tak precyzyjne pomiary w tym zakresie są kluczowe dla badań nad klimatem, dla przewidywania pogody, aktualne dane są wciąż niewystarczająco precyzyjne.
Spodziewał się Pan, że na drodze Pana badań pojawi się Europejska Agencja Kosmiczna?
– To było zaskoczenie. Jednak, z drugiej strony, trochę to wydarzenie przywołaliśmy. W naszym artykule napisałem, że takie urządzenie mogłoby być ciekawe na satelicie i, w przeciwieństwie do różnych szalonych pomysłów, komórki z atomami, z których korzystamy (to są małe próżniowe szklane komórki, w których znajdują się atomy) to technologia, która jest całkiem podobna do wykorzystywanej przez zegary znajdujące się na wszystkich satelitach GPS (każdy satelita GPS musi mieć bardzo precyzyjny zegar atomowy). Dlatego nie jest tak trudno sobie wyobrazić, że kolejny rodzaj komórki z atomami poleci w kosmos; to po prostu jest coś, co już się udało. Wspomniałem o tym w artykule, więc być może w ten sposób trochę przywołałem to kosmiczne zainteresowanie.
Sprowokował pan wydarzenia, a… szczęście sprzyja lepszym.
– Trochę jest tak, że różne rzeczy się dzieją, ale my oczywiście staramy się takie zastosowania prowokować. To też jest element pracy naukowca – żeby znajdować zastosowania dla tego, co odkrywamy.
Czego nie wiemy? O prototypie dla Europejskiej Agencji Kosmicznej było głośno. O pana pierwszych ważnych projektach też pojawiło się niemało publikacji. A co jest w tej chwili w kuchni, co się jeszcze dzieje?
– Zadajemy sobie nie tylko pytanie, jak taki sensor mikrofal zrobić trochę lepszym, ale jak zrobić taki sensor, który będzie absolutnie nie do pobicia, czyli osiągnie jakąś kwantową granicę czułości. Być może niedługo będziemy mieli odpowiedź na to pytanie. To jest bardziej ukłon w stronę fizyki fundamentalnej niż zastosowań, chociaż kto wie… Taki sensor sam w sobie jest dużo bardziej skomplikowany, natomiast jest także dużo, dużo, dużo bardziej czuły.
Technologia kwantowa to bardzo gorący temat, a jednocześnie bardzo potrzebny…
– Tak. Choć jednocześnie, w szczególności jeśli chodzi o quantum computing, czyli obliczenia, komputery kwantowe, to temat strasznie podatny na odbieganie od prawdy fizycznej. Pojawiają się notki prasowe o procesorach kwantowych obiecujące milion kubitów (bit kwantowy – przyp. red.), a nie ma nawet jednego, który by dobrze działał.
Czyli clickbaity wkradają się wszędzie.
– Tak. Bardzo się wkradły, szczególnie do obliczeń kwantowych. W pewnym momencie nie wiadomo, komu ufać, ale myślę, że zawsze można ufać ekspertom, którzy pracują na uczelniach. To się łączy z misją uczelni – aby sfery prawdy naukowej nie przejęła czysta komercja.
Żeby tonować biznesowe apetyty.
– Chodzi o to, żeby nie zginąć w gąszczu pustych słów, a zastanowić się, co naprawdę mamy, co naprawdę działa. My staramy się pisać notatki prasowe dotyczące naszych osiągnięć w sposób jednocześnie entuzjastyczny, ale precyzyjny.
Jest pan laureatem Nagrody im. Franka Wilczka. Ważna dla Pana postać?
– Bardzo mnie ta nagroda ucieszyła. To jest nagroda ustanowiona przez Uniwersytet Jagielloński i Fundację Kościuszkowską. Związana z kontaktami profesora Franka Wilczka, noblisty, z Uniwersytetem Jagiellońskim. Pewne zjawiska, które profesor Wilczek badał, mimo że zajmował się fizyką fundamentalną, związane z tym, jak materia się układa w fazy, pojawiają się też w układach atomowych, które ja badam.
