Spis treści zeszytu Elektronika nr 8/2023

QUANTUM TECHNOLOGIES – STRATEGIC DEVELOPMENT PRIORITY FOR THE WARSAW UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
(Technologie Kwantowe jako strategiczny kierunek rozwoju Politechniki Warszawskiej)
M. MALINOWSKI, A. KISIEL, J. SZMIDT, K. POŹNIAK, G. KASPROWICZ, Z. WAWRZYNIAK, P. WIŚNIEWSKI. . . . . . . . 2

ABSTRACT
Quantum computing and related quantum technologies are currently at the forefront of research and development activities in many aspects of today’s high-technology industry, from advanced quantum algorithms and fundamentals of quantum computation and communication through the physical realisation of quantum computers and cryptography to quantum sensing and dedicated electronics. Warsaw University of Technology intends to lead in several aspects of this revolution. This article will report the overview of several ongoing activities at WUT related to quantum technologies. In particular, the Research University – Excellence Initiative program’s strategic activities and the physical quantum computer infrastructure creation will be introduced.
KEYWORDS: quantum technologies, quantum computing, strategic development

Streszczenie
Obliczenia kwantowe i związane z nimi technologie kwantowe znajdują się obecnie w czołówce działań badawczo-rozwojowych w wielu aspektach dzisiejszego przemysłu zaawansowanych technologii, od zaawansowanych algorytmów kwantowych i podstaw kwantowych obliczeń i komunikacji, poprzez fizyczną realizację komputerów kwantowych i kryptografii kwantowej, aż po sensory kwantowe i dedykowaną elektronikę. Politechnika Warszawska zamierza odgrywać wiodącą rolę w kilku aspektach tej rewolucji. W artykule zostanie przedstawiony przegląd wybranych aktualnie prowadzonych na PW działań związanych z technologiami kwantowymi. W szczególności przedstawione zostaną działania strategiczne w ramach programu Uczelnia Badawcza – Inicjatywa Doskonałości, a także tworzenie fizycznej infrastruktury komputera kwantowego.
SŁOWA KLUCZOWE: technologie kwantowe, obliczenia kwantowe, działania strategiczne

PART A: SCIENCE & KNOWLEDGE

FUNDAMENTALS OF QUANTUM COMPUTING
(Podstawy obliczeń kwantowych)
M. KUŚ. . . . . . . . 6

ABSTRACT
The basic properties of quantum systems allowing potential use for accelerating quantum computing are discussed. The theoretical, computational capabilities of quantum computers and their limitations are described. Basic quantum algorithms allowing acceleration of calculations are discussed.
KEYWORDS: quantum computing, quantum speed-up, quantum algorithms

Streszczenie
Omówione zostały podstawowe własności układów kwantowych pozwalające na potencjalne wykorzystanie dla przyśpieszenia obliczeń kwantowych. Opisano teoretyczne możliwości obliczeniowe komputerów kwantowych i ich ograniczenia. Omówiono podstawowe algorytmy kwantowe pozwalające na przyspieszenie obliczeń.
SŁOWA KLUCZOWE: obliczenia kwantowe, kwantowe przyspieszenie, algorytmy kwantowe

ION TRAP QUANTUM COMPUTER ARCHITECTURE
(Komputer kwantowy oparty na spułapkowanych jonach)
G. KASPROWICZ, P. KULIK, M. SOWIŃSKI, T. PRZYWÓZKI, K. POŹNIAK, Z. WAWRZYNIAK. . . . . . . . 12

ABSTRACT
Ion trap quantum computing (QC) is a promising technology with the potential to revolutionize many fields. However, there are still many challenges that need to be overcome before ion trap quantum computers become a reality. These challenges include scaling up the number of qubits, improving the coherence time of qubits, and developing new algorithms and software.
Despite these challenges, ion trap quantum computing is a promising technology with the potential to revolutionize many fields. As the technology continues to mature, it is likely that we will see significant progress in overcoming the challenges and building large-scale ion trap quantum computers. These computers could have a profound impact on many fields, and they could help us to solve some of the world’s most challenging problems.
KEYWORDS: ion trap, quantum computing, QC architecture, QC stack

Streszczenie
Technologia komputerów kwantowych (KK) na pułapkach jonowych to obiecująca technologia o potencjale zrewolucjonizowania wielu dziedzin. Jednak przed tym, jak stają się one rzeczywistością, należy pokonać wiele wyzwań. Należą do nich skalowanie liczby kwantowych bitów (kubitów), poprawa czasu koherencji kubitów i tworzenie nowych algorytmów i oprogramowania.
Mimo tych wyzwań, technologia pułapek jonowych to obiecująca technologia potencjalnie rewolucjonizująca wielu dziedzin. W miarę dojrzewania technologii, prawdopodobnie uda się znacząco pokonać te wyzwania i zbudować duże, jonowe komputery kwantowe. Te komputery mogą mieć głęboki wpływ na wiele dziedzin i pomóc nam rozwiązać niektóre z najbardziej skomplikowanych problemów na świecie.
SŁOWA KLUCZOWE: pułapka jonowa, komputer kwantowy, architektura KK, stos KK

QUANTUM INTEGRATED PHOTONICS
(Kwantowa fotonika scalona)
R. ROMANIUK . . . . .. . . . . . . . . . . 17

ABSTRACT
Quantum integrated photonics (QIP) is one of the technological and system options for building quantum networks and computers. The carrier of multilateral, multidimensional quantum information, in the state of coherent superposition and entanglement/ hyper-entanglement, is a single, most often heralded, or deterministic 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, transmits 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 include qubit operations in the time, frequency and space domains and the implementation of quantum gate logic. Quantum error correction, photon quality determination, indistinguishability, entanglement distribution and distillation are possible. Hybrid, in terms of material, QIP systems, consisting of quantum-connected 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.
KEYWORDS: quantum tele-informatics, quantum communications, optical quantum processors, quantum networks, quantum computing, quantum information technologies

Streszczenie
Kwantowa fotonika scalona (KFS) jest jedną z opcji technologicznych 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 światłowody. W takim środowisku fotony jako kubity lub kudity są generowane, modulowane i demodulowane, transmitowane i detekowane. W odróżnieniu od innych technologii kubitowych foton jako kubit 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, transmituje informację kwantową w próżni pomiędzy aktami emisji i absorpcji. Potencjał technologii KFS wynika z możliwości realizacji na kubicie/kudicie fotonowym wszystkich operacji kwantowych metodami optyki liniowej. Te operacje obejmują operacje na kubicie w domenach czasu, częstotliwości i przestrzeni, oraz realizację kwantowej logiki bramkowej. Możliwa jest korekcja błędów kwantowych, określanie jakości fotonów, nierozróżnialności, dystrybucja i destylacja splątania. Hybrydowe, pod względem materiałowym, systemy KFS, składające się z połączonych kwantowo FUS posiadają potencjał realizacji uniwersalnych komputerów i sieci kwantowych. Artykuł jest częścią cyklu związanego z wykładami dla doktorantów na temat Kwantowych Technologii Informacyjnych i Biofotoniki Kwantowej.
SŁOWA KLUCZOWE: optyczny procesor kwantowy, teleinformatyka kwantowa, telekomunikacja kwantowa, procesory kwantowe, sieci kwantowe, komputing kwantowy, kwantowe techniki informacyjne

THE QUANTUM COMPUTING STACK – FROM ALGORITHMS TO IONS
(Stos obliczeń kwantowych – od algorytmów do jonów)
O. SŁOWIK, G. KASPROWICZ . . . . .. . . . . . . . . . . 25

ABSTRACT
Quantum computers have emerged as a candidate for a transformative technology with the potential to revolutionise various fields, from cryptography to drug discovery. Among the different types of quantum computers, ion trap-based systems have garnered significant attention due to their long coherence times and high-fidelity operations. In this article, we would like to scratch the surface of the quantum computing stack, focusing on ion-trap gate-based universal quantum computers as an example.
KEYWORDS: quantum computing, ion traps, quantum compiler, quantum computing stack

Streszczenie
Obliczenia kwantowe wyłoniły się jako kandydat technologii transformacyjnej, która może zrewolucjonizować różne dziedziny od kryptografii po syntezę leków. Spośród różnych typów komputerów kwantowych, systemy oparte na pułapkach jonowych cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na długie czasy koherencji i wysoką dokładność. W tym artykule chcielibyśmy przybliżyć temat stosu obliczeń kwantowych, skupiając się na przykładzie uniwersalnych bramkowych komputerów kwantowych opartych o pułapki jonowe.
SŁOWA KLUCZOWE: obliczenia kwantowe, pułapki jonowe, kompilator kwantowy, stos obliczeń kwantowych

FRONTIER SCIENCE IN A QUANTUM EXPERIMENT: AEgIS AT CERN
(Rozwój nowego obszaru nauki w eksperymencie kwantowym: AEgIS w CERN)
G. KORNAKOV, J. ZIELIŃSKI . . . . .. . . . . . . . . . . 30

ABSTRACT
Precise manipulation of matter at the atomic or molecular level has provided the path for the nanotechnological revolution impacting diverse fields such as biology, medicine, material science, quantum technologies, and electronics. At the Antiproton Decelerator facility at CERN, the AEgIS experiment utilises state-of-the-art technology to store and manipulate synthesised exotic atoms containing both matter and antimatter. Such experiments lay the groundwork for a better understanding of the fundamental interactions and hold the potential to unravel the enigma of the absence of antimatter in our universe. Additionally, the developed techniques advance the technological frontier of controlling the quantum states of ions, a critical aspect of quantum sensing and quantum computing applications.
KEYWORDS: ION traps, Rydberg atoms, antimatter, CERN, antihydrogen, weak equivalence principle

Streszczenie
Precyzyjna manipulacja materią na poziomie atomowym lub molekularnym otworzyła drogę do rewolucji nanotechnologicznej, która ma wpływ na różne dziedziny, takie jak biologia, medycyna, materiałoznawstwo, technologie kwantowe czy elektronika. W obiekcie Antiproton Decelerator w CERN eksperyment AEgIS wykorzystuje najnowocześniejszą technologię do przechowywania i manipulowania zsyntetyzowanymi egzotycznymi atomami zawierającymi zarówno materię, jak i antymaterię. Takie eksperymenty kładą podwaliny pod lepsze zrozumienie podstawowych oddziaływań i mają potencjał do rozwiązania zagadki braku antymaterii w naszym wszechświecie. Ponadto opracowane techniki przesuwają granicę technologiczną w zakresie kontrolowania stanów kwantowych jonów, krytycznego aspektu kwantowych zastosowań wykrywania i obliczeń kwantowych.
SŁOWA KLUCZOWE: pułapki jonowe, atomy Rydberga,antymateria, CERN, antywodór, zasada słabej równoważności

PART B: RESEARCH & DEVELOPMENT

OPEN-SOURCE EXPERIMENT CONTROL HARDWARE FOR QUANTUM INFORMATION PROCESSING AND HIGH ENERGY PHYSICS
(Oprzyrządowanie typu „open-source” do kontroli eksperymentów w kwantowym przetwarzaniu informacji i fizyce wysokich energii)
G. KASPROWICZ, P. KULIK, K. POŹNIAK, T. HARTY, CH. BALLANCE, T. BALLANCE, S. BOURDEAUDUCQ, R. JÖRDENS, D. ALL- COCK, D. NADLINGER, J. BRITTON, Z. WAWRZYNIAK, D. SLICHTER, CH. OSPELKAUS, P. KOZAKIEWICZ, K. BROWN, S. HANASZ, A. KAMINSKA, M. KIEPIELA, J. MATYAS, J. MIZRAHI, M. PRZYBYSZ, D. RISINGER, A. SOTIROVA, M. SOWIŃSKI, W. ZHANG . . . . .. . . . . . . . . . . 34

ABSTRACT
Sinara is a modular, open-source measurement and control hardware ecosystem designed for beam-steering and quantum information processing applications that require deterministic high-precision timing. The Sinara system is based on industrial standards and comprises over 70 digital and analog input and output modules. The hardware is controlled and managed by ARTIQ, an open-source software system for experimental control that provides nanosecond timing resolution and sub-microsecond latency via a high-level programming language.
KEYWORDS: control system; FPGA; quantum; real-time; Python; DIOT; AWG; quantum computer

Streszczenie
Sinara to modułowa, typu „open-source”, platforma sprzętowo-programistyczna do pomiarów i kontroli, zaprojektowana dla zastosowań w akceleratorach cząstek i przetwarzaniu informacji kwantowej, które wymagają deterministycznego, precyzyjnego timingu. System Sinara opiera się na standardach przemysłowych i składa się z ponad 70 modułów cyfrowych i analogowych wejść i wyjść. Sprzęt jest kontrolowany i zarządzany przez ARTIQ, open-source’owe oprogramowanie do kontroli eksperymentów, które zapewnia rozdzielczość timingu na poziomie nanosekund i latencję w sub-mikrosekundach za pośrednictwem języka programowania wysokiego poziomu.
SŁOWA KLUCZOWE: systemy sterowania, fizyka kwantowa; real-time; Python; DIOT; AWG; komputer kwantowy

ARTIQ – OPEN-SOURCE CONTROL SYSTEM
(ARTIQ – otwartoźródłowy system pomiarowo-kontrolny)
M. SOWIŃSKI, G. KASPROWICZ, K. POŹNIAK, T. HARTY, CH. BALLANCE, T. BALLANCE, S. BOURDEAUDUCQ5, R. JÖRDENS6, D. ALLCOCK, D. NADLINGER, J. W. BRITTON, Z. WAWRZYNIAK, D. SLICHTER, CH. OSPELKAUS, K. BROWN, J. MATYAS, J. MIZRAH, ,D. RISINGER, A. SOTIROVA, P. KULIK, W. ZHANG . . . . .. . . . . . . . . . . 45

ABSTRACT
ARTIQ is a real-time control system designed to address complex challenges in quantum computing, specifically for ion-trapping experiments. It ensures precise timing and synchronization for different experimental setups, offering a timing precision at the nanosecond level. ARTIQ, open-source in nature, promotes transparency, reproducibility, and allows for the creation of customizations and extensions. It is developed globally by a community of scientists and engineers. ARTIQ’s versatility extends to communication with external laboratory equipment and integrates instructions into the experiment code. It also provides scalable solutions, such as the Distributed Real-Time I/O (DRTIO) that allows connection and control over many controllers. An essential feature of ARTIQ is its Python-based Domain Specific Language (DSL) that allows expressing experiment design in a commonly known programming language. ARTIQ, therefore, provides a flexible and scalable platform for quantum experiments.
KEYWORDS: IRTIQ, control system, FPGA, Python, DRTIO

Streszczenie
ARTIQ jest systemem sterowania w czasie rzeczywistym zaprojektowanym specjalnie w celu sprostania potrzebom eksperymentów fizyki kwantowej, szczególnie tych wykorzystujących pułapki jonowe. Zapewnia precyzyjną synchronizację układów eksperymentalnych, oferując precyzję czasu wykonania zdarzeń na poziomie nanosekund. ARTIQ, będący oprogramowaniem otwartoźródłowym, promuje przejrzystość, reprodukowalność i umożliwia tworzenie specjalizowanych modyfikacji i rozszerzeń. Jest on rozwijany przez społeczność na- ukowców i inżynierów z całego świata. ARTIQ oferuje integrację zewnętrznego sprzętu laboratoryjnego z kodem eksperymentu. Zapewnia również skalowalne rozwiązania, umożliwiające łączenie i programowanie wielu kontrolerów. Istotną cechą ARTIQ jest oparty na języku Python Domain-Specific Language (DSL), który ułatwia projektowanie eksperymentów pozwalając na opisywanie ich za pomocą powszechnie znanego języka programowania. Podsumowując, ARTIQ zapewnia elastyczną i skalowalną platformę dla eksperymentów kwantowych.
SŁOWA KLUCZOWE: ARTIQ, system kontrolno-pomiarowy, FPGA, Python, DRTIO

HIGH VOLTAGE SYSTEM FOR ION TRAPS AND GEM DETECTORS IN THE SINARA OPEN HARDWARE ECOSYSTEM
(Moduł wysokiego napięcia dla pułapek jonowych i detektorów typu GEM w standardzie ekosystemu Sinara)
T. PRZYWÓZKI, G. KASPROWICZ, F. ŚWITAKOWSKI, P. KULIK. . . . .. . . . . . . . . . . 49

ABSTRACT
In scientific research, precise control of high voltages is crucial, particularly in ion traps and Gas Electron Multiplier (GEM) detectors. The Sinara open hardware project addresses this need by developing a dedicated high-voltage system. The project introduces an STM32-based DIOT system board and a High Voltage Supply Board (HVSUP_ISOL) designed for non-real-time applications, providing up to +/-6kV. The HVSUP_ISOL board is fully isolated, ensuring system safety, and offers dual-channel configuration with a shared common terminal for easy cascading. The firmware based on the MQTT protocol enables users to remotely control various settings, and telemetry data provides insights into the system’s operation.
KEYWORDS: Ion Trap, GEM detector, Sinara, open-source hardware, High-Voltage, STM32, MQTT

Streszczenie
W badaniach naukowych precyzyjna kontrola wysokich napięć jest niezwykle istotna, zwłaszcza w pułapkach jonowych i detektorach GEM (Gas Electron Multiplier). W ramach projektu Sinara, zaprojektowany został nowy dedykowany system generacji i kontroli wysokich napięć. Projekt wprowadza kartę systemową DIOT opartą na układzie STM32 oraz kartę zasilania wysokonapięciowego (HVSUP_ISOL), przeznaczoną do zastosowań nie wymagających kontroli w czasie rzeczywistym, dostarczającą napięcia do +/-6kV. Karta HVSUP_ISOL jest w pełni izolowana, zapewniając bezpieczeństwo systemu, oraz oferuje konfigurację dwukanałową z wspólnym terminalem dla łatwego kaskadowania. Oprogramowanie oparte na protokole MQTT umożliwia użytkownikom zdalną kontrolę różnych ustawień, a dane telemetrii dostarczają informacji o działaniu systemu.
SŁOWA KLUCZOWE: pułapka jonowa, detektory GEM, Sinara. Sprzęt open-source, wysokie napięcie, STM32, MQTT

A NOVEL CONTROL SYSTEM ARCHITECTURE FOR QUANTUM COMPUTING
(Nowatorska architektura systemu sterowania dla obliczeń kwantowych)
G. KASPROWICZ, G. DANILUK, P. KULIK, M. SOWIŃSKI, T. PRZYWÓZKI . . . . .. . . . . . . . . . . 53

ABSTRACT
Sinara is an open-source open-hardware control system dedicated to quantum applications. It is based on industrial standards and consists of over 70 modules. The hardware is controlled by ARTIQ, which provides a high-level programming language. WUT and CERN developed a next-generation control system architecture called DI/OT, based on the Compact PCI Serial standard and Sinara hardware. The new system is dedicated to quantum and high-energy physics applications.
KEYWORDS: control system, QC, FPGA, DI/OT, CPCIS

Streszczenie
Sinara to otwarty system sterowania o otwartym źródle, dedykowany aplikacjom kwantowym. Bazuje na standardach przemysłowych i składa się z ponad 70 modułów. Sprzęt jest kontrolowany przez ARTIQ, który dostarcza język programowania na wysokim poziomie. WUT i CERN opracowały nową architekturę systemu sterowania o nazwie DI/OT, opartą na standardzie Compact PCI Serial i sprzęcie Sinara. Nowy system jest dedykowany dla aplikacji kwantowych i fizyki wysokich energii.
SŁOWA KLUCZOWE: systemy sterowania, komputery kwantowe, FPGA, DI/OT, CPCIS

LASER BEAM STABILIZATION SYSTEM USING OPEN-SOURCE TOOLS
(System stabilizacji wiązki laserowej oparty o narzędzia otwarto źródłowe)
G. KASPROWICZ, S. FIDERKIEWICZ, A. PAKUŁA, M. ŻYCZKOWSKI, P. MARĆ, W. ŻOŁNOWSKI, P. KULIK . . . . .. . . . . . . . . . . 57

ABSTRACT
Laser beam intensity stabilisation is an essential process in most quantum applications. Laser light intensity is a critical parameter in many quantum experiments, such as quantum computing, quantum communication, and quantum metrology. Even small fluctuations in laser intensity can lead to errors in the results of these experiments. This paper presents robust laser beam intensity stabilization methods using open-source tools: Sinara modules and ARTIQ software.
KEYWORDS: laser intensity stabilisation, quantum computing, AOM, PID, DSP

Streszczenie
Stabilizacja intensywności wiązki laserowej jest niezbędnym procesem w większości zastosowań kwantowych. Intensywność światła laserowego jest krytycznym parametrem w wielu eksperymentach kwantowych, takich jak obliczenia kwantowe, komunikacja kwantowa i metrologia kwantowa. Nawet niewielkie fluktuacje intensywności lasera mogą prowadzić do błędów w wynikach tych eksperymentów. Niniejszy artykuł przedstawia skuteczną metodę stabilizacji intensywności wiązki laserowej z wykorzystaniem narzędzi open source: modułów Sinara i opro- gramowania ARTIQ.
SŁOWA KLUCZOWE: stabilizacja intensywności lasera, obliczenia kwantowe, AOM, PID, DSP

SAYMA – AN ARBITRARY WAVEFORM GENERATOR FOR SCIENTIFIC EXPERIMENTSIN ION TRAPS
(Sayma – Generator przebiegów arbitralnych dla eksperymentów naukowych wykorzystujących pułapki jonowe)
P. KULIK, G. KASPROWICZ, T. HARTY, S. BOURDEAUDUCQ, R. JÖRDENS, D. ALLCOCK, D. NADLINGER, J. W. BRITTON . . . . .. . . . . . . . . . . 65

ABSTRACT
Sayma is an advanced hardware solution designed for scientific experiments in the field of quantum physics, particularly those involving ion traps. It is a part of Sinara, an open-source ecosystem developed by a collaboration between M-Labs, Warsaw University of Technology (WUT), US Army Research Laboratory (ARL), the University of Oxford, the University of Maryland, and NIST. Sayma provides a high-quality, modular, and flexible platform for generating arbitrary waveforms in ion trap experiments. This article provides an overview of Sayma, its features, and its components: the Sayma AMC (Advanced Mezzanine Card) and Sayma RTM (Rear Transition Module).
KEYWORDS: Sinara, Sayma, arbitrary waveform generator, ion traps, open-source hardware, MicroTCA

Streszczenie
Sayma to zaawansowane rozwiązanie sprzętowe przeznaczone do eksperymentów naukowych z zakresu fizyki kwantowej, w szczególności z wykorzystaniem pułapek jonowych. Jest częścią Sinara, ekosystemu open-source opracowanego we współpracy między M-Labs, Politechniką Warszawską (PW), US Army Research Laboratory (ARL), Uniwersytetem Oksfordzkim, Uniwersytetem Maryland i NIST. Sayma zapewnia wysokiej jakości, modułową i elastyczną platformę do generowania dowolnych przebiegów w eksperymentach z pułapkami jonowymi. Ten artykuł zawiera opis systemu Sayma, jego funkcji i komponentów: Sayma AMC (Advanced Mezzanine Card) i Sayma RTM (Rear Transition Module).
SŁOWA KLUCZOWE: Sinara, Sayma, generator przebiegów arbi- tralnych, pułapki jonowe, sprzęt open-source, MicroTCA

DESIGN OF A CRYOGENIC INTEGRATED CIRCUIT FOR NEXT-GENERATION QUANTUM COMPUTERS
(Projekt kriogenicznego układu scalonego dla następnej generacji komputerów kwantowych)
G. KASPROWICZ, K. SIWIEC, D. KASPROWICZ, A. WOJCIECHOWSKI, A. BORKOWSKI, W. PLESKACZ, M. SOWIŃSKI, T. PRZYWÓZKI, P. KULIK, K. POŹNIAK, Z.WAWRZYNIAK . . . . .. . . . . . . . . . . 69

ABSTRACT
In this project, we propose to develop intermediate-scale quantum computation devices and complement the hardware with device-aware compilers for the trapped-ion platform. The project cross-fertilizes three critical areas: (i) ion-trap development, pushing towards segmented ion traps with low heating rates; (ii) efficient compilation of quantum algorithms into low-level instruction circuits for segmented quantum information processing that enable seamless integration of qubit shuttling operations; (iii) scalable, low-noise electronic circuits development for fast operation of segmented ion-trap quantum information processors at room temperature and cryogenic conditions. Developed with the long-term vision of pushing towards 1000 qubits, the realised technology will serve as a platform to drive the European quantum computation roadmap.
KEYWORDS: cryogenic ASIC, quantum computers, ion traps

Streszczenie
W tym projekcie proponujemy opracowanie urządzeń do pośredniej skali obliczeń kwantowych i uzupełnienie sprzętu kompilatorami obsługującymi urządzenia dla pułapek jonowych. Projekt krzyżuje trzy kluczowe obszary: (i) rozwój pułapek jonowych, dążąc do segmentowanych pułapek jonowych o niskich szybkościach ogrzewania; (ii) wydajna kompilacja algorytmów kwantowych do obwodów instrukcji niskiego poziomu dla segmentowanego przetwarzania informacji kwantowych, które umożliwiają bezproblemową integrację operacji przesuwania kubitów; (iii) rozwój skalowalnych, niskoszumnych obwodów elektronicznych do szybkiej pracy segmentowanych procesorów informacji kwantowej z pułapkami jonami w temperaturze pokojowej i warunkach kriogenicznych. Opracowana technologia, mająca na uwadze długoterminową wizję osiągnięcia 1000 kubitów, będzie służyć jako platforma do rozwijania europejskiej ścieżki obliczeń kwantowych.
SŁOWA KLUCZOWE: kriogeniczne układy scalone, komputery kwantowe, pułapki jonowe

PART C: APPLICATIONS & DIDACTICS

ELECTRONIC CONTROL SYSTEM FOR THE QUANTUM COMPUTER INFRASTRUCTURE IN THE MIKOK PROJECT
(Elektroniczny system sterowania dla infrastruktury komputera kwantowego w projekcie MIKOK)
G. KASPROWICZ,M. SOWIŃSKI, K. POŹNIAK, J. SZMIDT, P. KULIK, M. KUŚ, Z. WAWRZYNIAK, P. SZCZEPAŃSKI, O. SŁOWIK, M.ŻYCZKOWSKI, P. MARĆ, A. PAKUŁA, A. NAWRAT, K. DANIEC, K. WERESZCZYŃSKI, T. KUCZERSKI, R. KAWAŁEK, M. SADOWSKI, W. SULEJA, P. WITKOWSKI. . . . .. . . . . . . . . . . 72

ABSTRACT
The practical implementation of algorithms on a quantum computer requires creating and stabilising qubits and their appropriate entanglement. Currently, one systemic solution is to create entangled qubits in ion traps. The structure of the Quantum Computer Unit based on the Ca40 blade ion trap of up to 100 ions, supported by integrated optical, control and reading systems, will be discussed. These system solutions are a vital part of the modular functional infrastructure of a quantum computer for civil and special IT applications as part of the NCBR project pk. MIKOK. The essential components of processes and functional phenomena, the control system based on the modular Sinara apparatus and the ARTIQ operating system, will be discussed along with the critical stages of the control process.
KEYWORDS: control system, Quantum computing, FPGA, ARTIQ, Sinara, CPCIS

Streszczenie
Praktyczna realizacja algorytmów na komputerze kwantowym wymaga stworzenia i stabilnego utrzymania kubitów oraz ich odpowiedniego splątania. Obecnie jednym rozwiązań układowych jest tworzenie splątanych kubitów w pułapkach jonowych. Zostanie omówiona struktury techniczna Jednostki Komputera Kwantowego bazującej na pułapce jonowej typu „blade” Ca40 do 100 jonów, wspieranej zintegrowanymi systemami optycznym, sterowania i odczytu. Te rozwiązania układowe stanowią kluczową część modularnej funkcjonalnej infrastruktury komputera kwantowego do cywilnym i specjalnym zastosowań informatycznych w ramach projektu NCBiR pk. MIKOK. Zostaną omówione najważniejsze składowe procesy i zjawiska funkcjonalne, system sterowania oparty o modułową aparaturę Sinara oraz system operacyjny ARTIQ wraz z kluczowymi etapami procesu sterowania.
SŁOWA KLUCZOWE: systemy sterowania, komputery kwantowe, FPGA, ARTIQ, Sinara, CPCIS

CEZAMAT TECHNICAL POTENTIAL USAGE IN ORGANISING THE QUANTUM COMPUTER TECHNOLOGY LABORATORY
(Wykorzystanie potencjału technicznego CEZAMAT do organizacji Laboratorium Technologii Komputera Kwantowego)
G. KASPROWICZ, Z. WAWRZYNIAK, K. POŹNIAK, J. SZMIDT, M. SOWIŃSKI, P. KULIK, T. PRZYWÓZKI, A. KISIEL, G. KORNAKOV, R. BECK, P. WIŚNIEWSKI, W. KNAP, L. TRZECIAK, M. SYPEK, P.NURCZYK . . . . .. . . . . . . . . . . 76

ABSTRACT
CEZAMAT, the Centre for Advanced Materials and Technologies of the Warsaw University of Technology located in Warsaw, Poland, focuses on interdisciplinary research in advanced materials and technologies, collaborating with domestic and international partners. CEZAMAT’s research spans a broad spectrum of advanced materials and technologies, including nanomaterials, advanced composites, functional, energy, environmental, and biomedical materials, and a quantum computing laboratory to facilitate quantum computer technology development. CEZAMAT’s Quantum Technology Hub initiative seeks to create a hub for quantum computer infrastructure development. This endeavour involves collaboration, organisation, and coordination among research teams and industrial partners, focusing on innovative technologies and strategic solutions. The centre thrives on interdisciplinary collaboration, working closely with scientists from other Polish institutions and publishing in esteemed academic journals.
KEYWORDS: quantum lab, cryogenics, ASIC, quantum compu- ter, PIC, integrated optics, THz technology, quantum electronic devices

Streszczenie
CEZAMAT, Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii Politechniki Warszawskiej zlokalizowane w Warszawie, koncentruje się na interdyscyplinarnych badaniach w zakresie zaawansowanych materiałów i technologii, współpracując z partnerami krajowymi i międzynarodowymi. Badania CEZAMAT obejmują szerokie spektrum zaawansowanych materiałów i technologii, w tym nanomateriały, zaawansowane kompozyty, materiały funkcjonalne, energetyczne, środowiskowe i biomedyczne, a także laboratorium obliczeń kwantowych wspierające rozwój technologii komputerów kwantowych. Inicjatywa Quantum Technology Hub CEZAMAT ma na celu stworzenie centrum rozwoju infrastruktury komputerów kwantowych. Przedsięwzięcie to obejmuje współpracę, organizację i koordynację między zespołami badawczymi i partnerami przemysłowymi, koncentrując się na innowacyjnych technologiach i rozwiązaniach strategicznych. Centrum stawia na współpracę interdyscyplinarną, ściśle współpracując z naukowcami z innych polskich instytucji i publikując w cenionych czasopismach akademickich.
SŁOWA KLUCZOWE: Laboratorium kwantowe, kriogenika, ASIC, komputer kwantowy, PIC, optyka zintegrowana, technologia THz, kwantowe przyrządy elektroniczne

QUANTUM SUPREMACY’S PRACTICAL MEANING
(Pojęcie przewagi kwantowej w praktyce)
Z. WAWRZYNIAK . . . .. . . . . . . . . . . 81

ABSTRACT
The report presents a thorough examination of quantum supremacy and its far-reaching implications. Quantum computing, a cutting-edge field, possesses the potential to reshape industries due to its unique quantum mechanical properties. Quantum supremacy, wherein a quantum computer surpasses classical computers in specific tasks, has been achieved through ground-breaking experiments. While this marks a milestone, challenges such as qubit decoherence and error correction must be addressed before widespread adoption.
Algorithmic qubits offer a relevant metric for assessing quantum computer performance across various algorithms, underscoring their potential in practical applications. The report explores the military’s potential use of quantum supremacy, including cryptography, cyber warfare, intelligence gathering, and weapon development. Ethical considerations are highlighted, emphasising the need for responsible application.
The report comprehensively analyses quantum supremacy, potential applications, challenges, and ethical considerations. Quantum computing holds immense promise, contingent upon addressing technical hurdles and ensuring responsible deployment across various domains, including the military.
KEYWORDS: quantum computing, quantum supremacy, NISQ challenges, quantum computer performance, practical applications, algorithmic qubits

Streszczenie
Przedstawiono analizę pojęcia przewagi (supremacji) kwantowej i jej konsekwencji w praktyce. Najnowocześniejszy obszar przetwarzanie w oparciu o wykorzystanie komputerów kwantowych ma potencjał do przekształcenia wielu gałęzi przemysłu ze względu na wykorzystanie unikalnych właściwości mechaniki kwantowej. Supremację kwantową, dla której komputer kwantowy przewyższa właściwości komputera klasycznego w określonych obliczeniowych zadaniach, osiągnięto dzięki przełomowym eksperymentom. Chociaż jest to stan przełomowy (kamień milowy) to jednak przed powszechnym wprowadzeniem do użytkowania trzeba stawić czoła wyzwaniom, takim jak dekoherencja kubitów i korekcja błędów kwantowych.
Potencjał obliczeń kwantowych w praktycznych zastosowaniach poprzez do ocenę wydajności komputera kwantowego przy różnych wykonywaniu algorytmów określają tzw. kubity algorytmiczne stanowiące odpowiednią metrykę właściwości. Pokazano potencjalne wykorzystanie pojęcia supremacji kwantowej przez wojsko, w dziedzinach tego wymagających jak kryptografię, wojna cybernetyczna, gromadzenie informacji wywiadowczych i rozwój różnych rodzajów uzbrojenia. Podkreślono względy etyczne, podkreślając potrzeby odpowiedzialnego stosowania tego typu narzędzi obliczeniowych. Raport analizuje supremację kwantową, jej potencjalne zastosowa- nia, wyzwania i względy etyczne. Obliczenia kwantowe niosą ze sobą ogromne nadzieje, uzależnione od pokonania przeszkód technicznych i zapewnienia odpowiedzialnego wdrożenia w różnych dziedzinach, w tym w dla celów wojskowych.
SŁOWA KLUCZOWE: obliczenia kwantowe, supremacja kwantowa, wyzwania NISQ, wydajność komputerów kwantowych, zastosowania praktyczne, kubity algorytmiczne

QUANTUM COMPUTING – CHALLENGES FOR THE MILITARY NEEDS
(Obliczenia kwantowe – wyzwania dla potrzeb militarnych)
Z.WAWRZYNIAK, K. POŹNIAK. . . .. . . . . . . . . . . 86

ABSTRACT
Quantum computing is a rapidly developing field with the potential to revolutionise many aspects of technology, including the military. Quantum computers can solve specific problems much faster than classical computers, which could be used to develop new weapons systems, improve military communications, and secure military networks. However, there are also challenges to developing and using quantum computing for military applications. One challenge is the cost of developing and maintaining quantum computers. Another challenge is the security of quantum computers, which could be used to break current encryption algorithms. Despite the challenges, the potential benefits of quantum computing for the military are significant. The Department of Defense is probably the world’s largest single funder of quantum computing research and has invested in quantum computing for military applications. The development of quantum computing for military applications is complex and challenging. Still, it will grow in importance in cryptography, simulation, navigation, target recognition and similar tasks. The development of quantum computing for military applications is complex and challenging. However, the potential benefits of quantum computing are significant, and it is a research area that will continue to grow in importance.
KEYWORDS: quantum computing, military applications, chal- lenges, research and development

Streszczenie
Obliczenia kwantowe to szybko rozwijająca się dziedzina, która może zrewolucjonizować wiele aspektów technologii, w tym wojskowej. Komputery kwantowe mogą rozwiązywać określone problemy znacznie szybciej niż komputery klasyczne, które można wykorzystać do opracowania nowych systemów uzbrojenia, usprawnienia komunikacji wojskowej i zabezpieczenia sieci wojskowych. Istnieją jednak również wyzwania związane z opracowywaniem i wykorzystaniem obliczeń kwantowych w zastosowaniach wojskowych. Jednym z wyzwań jest koszt opracowania i utrzymania samych komputerów kwantowych. Kolejnym wyzwaniem jest bezpieczeństwo komputerów kwantowych, które można wykorzystać do złamania obecnych algorytmów szyfrowania. Pomimo wyzwań potencjalne korzyści z obliczeń kwantowych dla wojska są znaczące. Ministerstwa Obrony są prawdopodobnie największymi na świecie pojedynczym fundatorami badań nad obliczeniami kwantowymi i inwestują w obszar obliczeń kwantowych do zastosowań wojskowych. Rozwój obliczeń kwantowych do zastosowań wojskowych jest jednak złożonym i skomplikowanym procesem i trudnym zadaniem, ale jego znaczenie będzie nadal rosło w kryptografii, symulacji, nawigacja, rozpoznawanie celów, jak i podobne zadania. Rozwój obliczeń kwantowych do zastosowań wojskowych jest złożony i wymagający. Potencjalne korzyści wynikające z obliczeń kwantowych są jednak znaczące, a znaczenie tego obszaru badawczego będzie nadal rosło.
SŁOWA KLUCZOWE: obliczenie kwantowe, zastosowania wojskowe, wyzwania, badania i rozwój

THE CONTROL SYSTEM OF THE AEgIS EXPERIMENT AT CERN
(System sterowania eksperymentu AEgIS w CERN)
G. KORNAKOV, J. ZIELIŃSKI, G. KASPROWICZ. . .. . . . . . . . . . . 90

ABSTRACT
The AEgIS experiment at CERN recently decided to adopt a control system solution based on the Sinara/ARTIQ open hardware and software infrastructure. This decision meant to depart from the previously used paradigm of custom-made electronics and software to control the experiment’s equipment. Instead, adopting a solution with long-term support and used in many quantum physics experiments guarantees a vivid community using similar infrastructures. This transition reduces the risks and development timeline for integrating new equipment seamlessly within the setup. This work reviews the motivation, the setup, and the chosen hardware and presents several planned further steps in developing the control system.
KEYWORDS: Control System, Sinara, ARTIQ, antimatter, ion trap

Streszczenie
Eksperyment AEgIS w CERN niedawno podjął decyzję o przyjęciu rozwiązania systemu kontroli opartego na infrastrukturze otwartego sprzętu i oprogramowania Sinara/ARTIQ. Ta decyzja oznacza odejście od dotychczasowego paradygmatu wykorzystywania spersonalizowanej elektroniki i oprogramowania do sterowania sprzętem eksperymentu. Zamiast tego, przyjęcie rozwiązania zapewniającego długoterminowe wsparcie i stosowanego w szeregu eksperymentów z fizyki kwantowej gwarantuje aktywną społeczność korzystającą z podobnych infrastruktur. Ta przemiana zmniejsza ryzyko oraz skraca terminy rozwoju w celu bezproblemowej integracji nowego sprzętu w konfiguracji. Niniejsza praca analizuje motywację, konfigurację, wybrane elementy sprzętu oraz prezentuje kilka planowanych kolejnych kroków w rozwoju systemu kontroli.
SŁOWA KLUCZOWE: systemy sterowania, Sinara, ARTIQ, antyma- teria, pułapka jonowa

APPLICATION OF ARTIQ CONTROL SYSTEM IN MODULAR COSMIC RAY DETECTOR – MCORD
(Zastosowanie systemu kontrolno-pomiarowego ARTIQ w modularnym detektorze promieniowania kosmicznego – MCORD)
M. SOWIŃSKI, G. KASPROWICZ, P. KULIK, F. ŚWITAKOWSKI, M. KUKLEWSKI, P. KOLASIŃSKI, W. ZABOŁOTNY, K. POŹNIAK, M. KIECANA, D. RYBKA, J. SZEWIŃSKI, A. BANCER. . .. . . . . . . . . . . 93

ABSTRACT
The text discusses the application of ARTIQ, a highly versatile control system, in the MCORD project, a large-scale high-energy physics experiment. It details the MCORD system, a flexible and modular cosmic ray detector created like a part of MPD detector set for the NICA collider, and its applications, from muon and charged particle detection to astrophysical measurements. The MCORD Data Acquisition System (DAQ) relies on a dedicated FMC (FPGA Mezzanine Card) for detecting and time-tagging coincident events from scintillator detectors. ARTIQ plays a key role in the MCORD system, serving as a management and control system, enabling precise real-time operations, time-tagging and data transfer. The system’s user-friendly Python-based Domain Specific Language permits easy interface with the system. Use of ARTIQ in the MCORD system demonstrates the potential of applying the latter outside its original field, atomic physics research.
KEYWORDS: ARTIQ, FPGA, MCORD, scintillator detector, cosmic ray detector, control system

Streszczenie
Tekst omawia zastosowanie ARTIQ, wszechstronnego systemu sterowania, w projekcie MCORD, wielkoskalowym eksperymencie z dziedziny fizyki wysokich energii. Szczegółowo opisuje system MCORD, elastyczny i modułowy detektor promieniowania kosmicznego zaprojektowany jako element zespołu detektorów MPD dla zderzacza NICA, oraz jego zastosowania, od detekcji mionów do pomiarów astrofizycznych. System akwizycji danych (DAQ) dla MCORD, wykorzystuje specjalistyczną kartę FMC (FPGA Mezzanine Card) do wykrywania i znakowania czasowego zdarzeń z zestawu detektorów scyntylacyjnych. ARTIQ odgrywa kluczową rolę w systemie MCORD, pełniąc rolę kompleksowego systemu zarządzania i sterowania, umożliwiając precyzyjne operacje w czasie rzeczywistym, znakowanie czasowe i transfer danych. Użytkownicy łatwo mogą łączyć się z systemem dzięki przyjaznemu dla użytkownika, opartemu na Pythonie językowi domenowemu. Połączenie systemu MCORD i ARTIQ pokazuje potencjał zastosowania tego ostatniego poza jego pierwotnym obszarem, badaniami z dziedziny fizyki atomowej.
SŁOWA KLUCZOWE: ARTIQ, FPGA, MCORD, detektor scyntylacyjny, detektor promieniowania kosmicznego, system sterowania

EDUCATION IN QUANTUM ENGINEERING AT THE WARSAW UNIVERSITY
(Edukacja w Inżynierii Kwantowej na Politechnice Warszawskiej)
G. KORNAKOV, G. WLAZŁOWSKI, P. MAGIERSKI, T. BUCHNER, G. KASPROWICZ, D. KIKOŁA, A. KISIEL, D. PĘCAK, M. SOWIŃSKI, M. TYLUTKI, M. WIERZBICKI, K. ZBERECKI . . .. . . . . . . . . . . 97

ABSTRACT
We introduce a theoretical and technical training curriculum concept to incorporate Quantum Computing Technologies (QCT) into WUT’s quantum infrastructure (QTI). Ongoing activities involve accumulating necessary knowledge, preparing training materials, and creating presentations to establish a comprehensive curriculum concept for QCT. This concept is based on the existing QTI infrastructure at WUT. The primary objective of this endeavour is to develop a coherent educational framework and associated study resources for didactic applications in the field of quantum information technologies (QIT). These resources are intended for utilisation by WUT teams and students, tightly integrated with prospective research initiatives.
KEYWORDS: Quantum Engineering, Education, Quantum Information Technologies, Quantum Computing Technologies

Streszczenie
Wprowadzamy koncepcję szkolenia teoretycznego i technicznego, którego celem jest włączenie Quantum Computing Technologies (QCT) do infrastruktury kwantowej (QTI) PW. Bieżące działania obejmują gromadzenie niezbędnej wiedzy, przygotowywanie materiałów szkoleniowych oraz tworzenie prezentacji w celu ustalenia kompleksowej koncepcji programowej dla QCT. Koncepcja ta bazuje na istniejącej infrastrukturze QTI na PW. Głównym celem tego przedsięwzięcia jest opracowanie spójnych ram edukacyjnych i powiązanych zasobów badawczych do zastosowań dydaktycznych w dziedzinie kwantowych technologii informacyjnych (QIT). Zasoby te przeznaczone są do wykorzystania przez zespoły i studentów PW, ściśle zintegrowane z perspektywicznymi inicjatywami badawczymi.
SŁOWA KLUCZOWE: inżynieria kwantowa, edukacja, kwantowe tech- nologie informacyjne, kwantowe technologie komputerowe