Martin Plesch
Martin Plesch
Projekt: PAQIT - Fyzikální aspekty kvantové teorie informace
Školitel: prof.RNDr.Jozef Gruska, DrSc.
Hostitelská instituce: Vysoce paralelní a distribuované výpočetní systémy, Fakulta informatiky MU
Země původu: Slovenská republika
Země vědeckého působení: Slovensko
Délka projektu: 24 měsíců
Panel: Fyzika
Abstrakt:
Kvantová teorie, jejíž počátky spadají do první poloviny 20. století, je jedním ze základních pilířů moderní fyziky. Fyzikové a informatici byli v posledních desetiletích inspirováni potenciálním využitím kvantových systémů pro výpočetní účely. Cílem tohoto projektu je dále rozvíjet spolupráci mezi Fyzikálním ústavem Slovenské akademie věd v Bratislavě a Fakultou informatiky Masarykovy univerzity v Brně. Během dvouletého výzkumného pobytu (od září 2010 do srpna 2012) bych chtěl ze společné fyzikálně-informatické perspektivy dospět k novým pohledům na v současnosti známé otevřené problémy kvantové teorie informace, jakož i najít nové problémy a přispět k jejich řešení. Zaměřit se chci zejména na kvantové algoritmy a jejich optimalizaci, na roli chyb, šumu a dekoherence v kvantových experimentech a možné způsoby boje proti nim. Hlavními výsledky projektu by měly být společné publikace a dlouhotrvající spolupráce. Pokračování společné organizace workshopu CEQIP, který se každé jaro koná v jednom z českých (obvykle jihomoravských) historických měst, bude mít přímý dopad na další rozvoj regionu. Během svého pobytu mám v úmyslu účastnit se výukového procesu na univerzitě formou přednášek a seminářů o kvantové teorii informace (QIT) pro bakalářské a magisterské studenty a také vedením diplomových a disertačních prací. Rovněž se budu ve spolupráci s Přírodovědeckou fakultou a zejména s prof. Tomášem Tycem zapojovat do popularizačních aktivit. Zejména bych rád zvýšil zájem jihomoravských středních škol o Turnaj mladých fyziků a uvedl Mezinárodní olympiádu mladých vědců do základních škol v Jihomoravském kraji a v celé České republice.
Dosavadní průběh projektu:
Cílem projektu Fyzikální aspekty kvantové teorie informace je nalezení nových perspektiv kvantového zpracování informace s využitím jak fyzikálního, tak i informatického přístupu. V průběhu prvního roku projektu bylo zkoumáno několik problémů a bylo získáno několik významných výsledků.
První oblastí výzkumu bylo pokračování spolupráce se skupinou Prof. Bruknera z Vídně zaměřené na nalezení efektivních způsobů přípravy kvantových stavů. Výsledky byly dokončeny na konci roku 2010 a přijaty k publikaci ve Physical Review A na na začátku roku 2011 – článek vyšel na jaře.
Zbrusu nové téma, spojené s purifikací provázanosti, bylo rozpracováno ve spolupráci s Dr. Huberem z Vídeňské univerzity během konference QIP v lednu 2011. První výsledky, vedoucí k velmi efektivní metodě purifikace provázanosti za přítomnosti více účastníků, byly přijaty do Physical Review A na jaře 2011 a brzy poté vydány. V současnosti pokračujeme ve výzkumu a v příštích měsících očekáváme získání dalšího materiálu pro publikaci.
V rámci brněnské skupiny pracujeme od října 2010 na vylepšeních Hadamardových extraktorů. Získané výsledky byly opakovaně zaslány v zimě 2010 a na jaře 2011, ale doba odezvy informatických časopisů se zdá být mnohem delší, než je zvykem u časopisů fyzikálních.
V rámci naší skupiny byly též užitím kvantových kanálů získány zajímavé výsledky vedoucí ke zvýšení bezpečnosti dvoustranné komunikace, pokud komunikující strany mají k dispozici pouze nedokonalá (ovlivněná) náhodná čísla. Výsledky pro jednoqubitové kanály byly zaslány k publikaci a nyní máme rozpracován případ vícequbitových kanálů.
Dohromady byly publikovány dva články v impaktovaných časopisech a dva další jsou v recenzním řízení – jeden z nich se brzy objeví v kvantovém archivu. Výsledky byly prezentovány formou posterů na mezinárodních konferencích QIP 2011 a CEQIP 2011 a formou přednášky na Nelokálním semináři. Přednášel jsem v rámci Kvantového semináře a Hot Topics of Quantum Information Processing, předmětů pro studenty a výzkumníky Fakulty informatiky, a byla mi rovněž nabídnuta přednáška v rámci Informatického kolokvia, série přednášek určených pro celou fakultu.
Během prvního roku projektu byly připraveny dva výzkumné projekty. GAČRu byl zaslán obecný výzkumný projekt, který v případě úspěchu pomůže financovat aktivity skupiny po dobu čtyř let, počínaje rokem 2012. V létě byl též zaslán mezinárodní projekt spolupráce se Slovenskou republikou pro roky 2012 a 2013. Podílel jsem se na přípravě obou projektů a v případě jejich schválení budu členem projektových týmů.
V průběhu prvního roku projektu také probíhala řada popularizačních aktivit. Ty byly podle plánu zaměřeny na naplnění tří hlavních cílů: International Young Physicists’ Tournament (IYPT, studenti středních škol), International Junior Science Olympiad (IJSO, žáci základních škol) a aktivity pro širokou veřejnost.
Pro zájemce o IYPT byl v zimě na Přírodovědecké fakultě MU organizován seminář, na kterém studenti a učitelé zhlédli mou prezentaci týkající se samotné soutěže a jejích úkolů. Zúčastnilo se pět středních škol, z nichž tři přislíbily vytvoření družstva pro soutěž. Nakonec bylo sestaveno pouze jedno družstvo (což je obvyklé, neboť příprava na soutěž je mnohem náročnější, než se dá předem očekávat). To bylo pozváno jako hostující družstvo na oblastní kolo soutěže v Bratislavě a zúčastnilo se rovněž soutěže v České republice.
Vzhledem k různým časovým obdobím, v nichž je organizována soutěž IJSO (národní družstvo musí být vytvořeno v září), nebylo možné během prvního roku uskutečnit mnoho aktivit. Českou republiku se ale podařilo zaregistrovat jako účastníka IJSO 2011, která se bude konat v prosinci v jihoafrickém Durbanu. To bylo umožněno získáním výjimky, jelikož podle pravidel Česká republika měla být reprezentována pozorovatelem před jedním či dvěma lety. Byla připravena výzva pro zájemce z řad studentů a v září proběhnou všechny hlavní akce s cílem vytvořit české národní družstvo pro účast v soutěži.
Během druhého roku projektu mám v úmyslu pokračovat v plnění pracovního plánu. Jedinou podstatnou změnou je připravovaná osmitýdenní návštěva kvantové skupiny na Oxfordské univerzitě začátkem roku 2012 – tato změna je předmětem samostatné žádosti.
Ve spolupráci s Dr. Boudou a Mgr. Pivoluskou budu pokračovat ve výzkumu využitelnosti kvantových kanálů pro klasickou důvěrnou komunikaci. Během několika příštích měsíců budou dokončeny výsledky pro vícequbitové kanály a zaslány k publikaci. Ve spolupráci s novým postdoktorandem Dr. Wilmottem se zaměřím na studium vlivu nedokonalé náhodnosti na různé kvantové protokoly.
Se skupinou Prof. Bruknera se zabýváme otázkou, zda tzv. coarse-grained operace (kvantové operace prováděné pouze s určitou přesností) a tzv. coarse-grained měření (měření prováděná pouze s omezenou přesností) mohou pomoci vysvětlit skutečnost, že se v každodenním životě nesetkáváme s kvantovými jevy. S Dr. Huberem z Vídně budu pokračovat ve zkoumání purifikace vícečásticové provázanosti.
V polovině září se zúčastním konference QCRYPT 2011, kde budu prezentovat poster. Budu spoluorganizovat konferenci CEQIP 2012, která se bude poprvé konat mimo Moravu – na západoslovenském zámku Smolenice.
Nadále budu přednášet na obou výše zmíněných seminářích, navíc v zimním semestru plně převezmu výuku předmětu Vybrané kapitoly z kvantové mechaniky. Nahradím svého kolegu doc. Zimana, který odjel na roční pobyt do zahraničí.
V průběhu září proběhne většina aktivit spojených se soutěží IJSO. Soutěž bude propagována rozličnými způsoby (Masarykova univerzita, město Brno, tisková konference atd.). Studenti pro mezinárodní družstvo budou vybráni ze zájemců na základě jejich výsledků v jiných soutěžích, zejména v soutěži Žirafa. 17. září se formou prezentace různých zajímavých fyzikálních pokusů v centru města zúčastním Festivalu vědy.
Koncem října budou zájemci o soutěž IYPT z řad středoškolských studentů vyzváni k účasti na přípravném semináři. Družstvům zajímajícím se o účast v soutěži poskytnu pomoc a možná též budou jako hostující družstva přijata k účasti v oblastním kole na Slovensku.
Cíle naplánované pro první rok projektu byly splněny a překonány. Dva články byly přijaty a zveřejněny v imputovaných časopisech, další dva jsou v recenzním řízení. Na dvou mezinárodních konferencích jsem prezentoval poster a na mezinárodním setkání – Nelokálním semináři – jsem přednesl přednášku. Byly odevzdány dva projekty, jeden z nich mezinárodní. Na fakultě jsem přednesl několik přednášek. Uskutečnilo se rovněž několik popularizačních aktivit.