2018. december: jegyzet, mesterséges intelligencia, it, geológia, portré, fizika, tudomány, csillagászat, innováció, egyetem, fenntarthatóság, környezetvédelem, zöldkörnyezet

A jövő kvantum

Elindult az Európai Unió Kvantumtechnológiai zászlóshajó programja, amelyben Gali Ádám, a Wigner Fizikai Kutatóközpont Szilárdtestfizikai és Optikai Intézetében kutatócsoportjával konzorciumi tagként vesz részt az ASTERIQS projektben, valamint két, a Kvantumtechnológiai zászlóshajó programot kísérő uniós szintű konzorciumi QuantERA projektben.


Lassan százéves a kvantummechanika elmélete, azóta megértettük, hogyan működik az anyag. Mi volt a fejlődés útja?

− A kvantuminformatika elméletéből nőtt ki az univerzális számításokat lehetővé tevő kvantumszámítógép, a kvantuminformációt közvetítő kvantumkommunikáció, a kvantumos érzékelés és mérőeszközök, valamint a kvantumszimuláció, melynek során kvantumrendszereket próbálunk szimulálni. Ezeket közösen kvantumtechnológiának hívjuk.

Hogyan jutottunk el a kvantumállapotok szabályozásáig?

− Miután felismerték, hogy az anyag atomokból, illetve azok kisebb részeiből, elektronokból és atommagokból épül fel, meg akarták érteni azt is, hogyan működnek ezek az építőkövek. Kiderült, hogy a korábban használt elméletek ezeknek a leírására nem alkalmasak. A kvantummechanika elmélete viszont nagyon különbözött az addig ismert világképünktől. Az hozta meg a sikerét, amikor kiderült, ha ezt az elméletet használjuk, akkor sok olyan kísérleti eredményt meg tudunk magyarázni, amiket korábban nem. Általa értettük meg például azt, hogyan kapcsolódnak össze az atomok molekulává vagy nagyobb szilárdtestté, és arra vonatkozóan is tudtunk jóslatokat felállítani, hogy azoknak milyen elektromos, optikai, illetve mágneses tulajdonságai lesznek. Ez az elmélet döntően járult hozzá a mai elektronika kifejlődésé­hez, valamint a gyógyszerhatóanyagok modern, in silico (számítógépes – a szerk.) tervezéséhez, és minden olyan terület fejlődéséhez, ahol fontos az anyagok atomi szinten történő tervezése. Ez volt a kvantummechanika első forradalma.

A nyolcvanas évek elején a fizikusok azon kezdtek gondolkodni, hogyan lehetne befolyásolni egy adott anyagban a kvantumállapotokat. Ekkor indult el a kvantuminformatika korszaka, ahol a számítástechnikától eltérően nem a hagyományos bitek adják az elemi számítási egységet, amelynek értéke egy vagy nulla lehet, hanem az úgynevezett kvantumbitek, amelyeknek a kvantummechanika törvényei szerint bármilyen keveréke kialakulhat, ami végtelen számú valószínűséget jelent. Ha lennének kvantumszámítógépeink, akkor sokkal gyorsabban megkapnánk az információt egy nagy rendszerről, mivel egy lépésben exponenciálisan több műveletet tudnánk elvégezni, mint a hagyományos digitális számítógépekkel. Ez a kvantumrendszerek leírásánál érdekes, ami elősegítené minden anyag atomi szintű, pontos tervezését.

A kvantummechanika egy másik érdekes elmélete szerint egy ismeretlen kvantumállapotot nem lehet lemásolni. Ennek a gyakorlati jelentősége az, hogy egy adott információt A-ból B-be úgy lehet eljuttatni, hogy biztosan értesülünk arról, ha valaki megpróbálja lehallgatni az üzenetet. Bizonyos bankok már használnak kvan­tumkulcselosztást titkosításra. Kvantuminternet egyelőre még nincs, de az Európai Unió kvantumtechnológiai programjában célul tűzte ki, hogy 2030-ra kialakítsák az első hálózatot a legnagyobb városok között. Ha valakinek időközben sikerülne megalkotni a korábban említett kvantumszámítógépet, fel tudná törni a jelenlegi titkosításra használt kódokat, amelyeket például az internetes bankoláskor használunk. Ezért jó, ha a kvantumkommunikációs csatornákat minél előbb kifejlesztjük, amivel egy új biztonsági protokollt lehet felállítani. Jelenleg a Google, az IBM és a Microsoft is fejleszt saját kvantumszámítógépet, de ezek még nagyon kezdetleges állapotban vannak. Ennél közelebb járunk a kvantuminternet megvalósításához, ahol a jelenleg is használt optikai szálakon lehet majd kvantuminformációkat küldeni.

A kutatócsoportjával mivel foglalkozik jelenleg?

− Elsősorban kvantumérzékeléssel és kvantumkommunikációval foglalkozom. Az anyagban az egyik legtipikusabb kvantumbit az elektronspin. Ez a kvantumbit állapot azonban nagyon törékeny, ha valamilyen külső hatás éri, akkor megváltozik. Ebből jött az ötlet, hogy kvantumos érzékelőnek használjuk a nagyon kis mágneses és elektromos terek, valamint a finom hőmérsékleti változások mérésére. Kvantumbit állapotot létre lehet hozni szilárdtestben: a gyémántban például egy nagyon pici, kétatomnyi ponthibával − ahol nitrogén van a szén helyén, és mellette egy hiányzó szénatom −, amit NV- (nitrogén-vakancia) centrumnak hívnak. Kutató­csoportommal ezek működésének stabilitásán dolgozunk szá­mítások segítségével. Az ASTERIQS konzorciumban pedig hőmérséklet vagy mágneses terek mérésére használjuk (1. ábra). Olyan új, kímélő diagnosztikai módszereket lehet kifejleszteni belőle, amilyeneket a korábbi technológiákkal nem, vagy csak a pácienseket megterhelő módokon volt lehetséges. Emellett az ipar számos más területén is tudják majd hasznosítani ezeket az érzékelőket. Fontos megérteni, hogy az alapkutatások által feltárt, gyökeresen eltérő megoldások vezetnek technológiai ugráshoz, és nem a korábbiak továbbfejlesztése.

1. ábra. A gyémánt nitrogén-vakancia (NV) szenzor működésének sematikus ábrája: egy konfokális mikroszkópon keresztül zöld fénnyel megvilágítjuk a gyémánt felületéhez közeli NV-centrumot, amely vörösen világít, és amelyet a mikroszkópon keresztül mérünk meg. Ezt a felülethez közeli NV-centrumot használjuk mágneses, elektromos terek, hőmérséklet és nyomás mérésére.
Kikkel dolgoznak együtt?

− A konzorciumnak tizennégy tagja van, a többségében francia és német kutatóintézetek mellett olyan nagy ipari cég is, mint a Bosch GmbH. 2011-től kapcsolódtam be ebbe az Európai Bizottság által is támogatott kutatásba, azóta folyamatos az együttműködés közöttünk. A most elnyert támogatás három évre szól, de az eredményektől függően tíz évig meghosszabbítható. A konzor­ciumban folyó munkához azzal járulunk hozzá a kutatócsoportommal itt a Wigner Fizikai Kutatóközpontban, hogy feltárjuk azokat a mechanizmusokat, folyamatokat, amelyekkel jobban lehet szabályozni az NV-centrumokat, amivel egyre pontosabb mérőeszközöket hozhatunk létre. Azt is vizsgáljuk, vannak-e más alternatív centrumok a gyémántban, amelyek jobban igazodnak egy adott alkalmazáshoz (2. ábra).

2. ábra. A nitrogén-vakancia, valamint a szilícium-, germá­nium-, ón-vakancia (SiV, GeV, SnV) színcentrumok geometriai struktúrája. Az NV-centrum elektronspinje megvilágítás hatására alaphelyzetbe hozható, amely elektronspin mint kvantumbit használható mérőeszközként. A SiV, GeV és SnV rendszerek a kvantumkommunikációs hálózatok építőkövei lehetnek.
Miért éppen a gyémántot választották?

− Körülbelül húsz évvel ezelőtt fedezték fel, hogy a gyémántban lévő NV-centrumok elektron spinjét optikai módon lehet manipulálni, amely így kvantumbitként hasznosítható (2. ábra). Emellett új típusú kvantumbiteket is el kezdtünk vizsgálni EU, USA és ausztrál kutatókkal együttműködésben (3. ábra).

3. ábra. A szilícium-karbid a gyémánt érdekes alternatívája lehet kvantumbit hordozóanyagként. Gali Ádám kutatásai megmutatták, hogy szilícium-karbidbeli kvantumbitek érzékeny nyomásérzékelők lehetnek, ahol a megfelelő kvantum­bitek elektronspinje érzékenyen reagál a nyomásra, amit optikai módon olvashatunk ki.
Vagyis egy korábbi alapkutatás eredményeit felhasználva fogtak hozzá a saját kutatásukhoz?

− A kutatások, fejlesztések és innovációk egymásra épülnek. Egy korábbi alapkutatás eredményét továbbgondolták, amiből szintén kijött egy eredmény, s akkor a kutatók észrevették, hogy amit találtak, nagyon fontos lehet számos alkalmazásban. Még ma is részben alapkutatási szinten vagyunk, de ebbe már egy óriás iparvállalat is bekapcsolódott, mert fantáziát lát benne. Azt tartom a legfontosabbnak, hogy az alapkutatási szinttől kezdve benne legyünk a kutatás-fejlesztés-innováció láncban. Ha kihagyjuk az alapkutatási szintet, akkor e lánc fejlesztési-innovációs részébe csak olyan későn tudunk bekapcsolódni, amihez hozzáadott értéket már aligha tudunk hozzátenni. Most lehetőséget kaptunk arra, hogy a Magyarország Kormánya által támogatott Nemzeti Kvantumtechnológiai Program keretében laboratóriumot építsünk a Wigner Fizikai Ku­tatóközpontban, így a jövőben a kísérleteink eredményeivel is hozzájárulhatunk majd a konzorciumi munkához.•

 
2018. november – Közlekedésfejlesztési különszám

2018. november – Közlekedésfejlesztési különszám

Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018

Innotéka