A Bell Labs kutatói 1947. december 23-án mutatták be legújabb találmányukat, az első működő, pontérintkezős tranzisztort, amelyet nem sokkal később követett az első bipoláris átmeneti tranzisztor - ezek feltalálásáért 1956-ban John Bardeen, Walter Houser Brattain és William Bradford Shockley el is nyerték a Nobel-díjat. A berendezést eredetileg a jóval terjedelmesebb vákuumcsövek helyettesítésére szánták és az apró, sokoldalú szerkezetek hamarosan számtalan alkalmazási körben megtalálták a helyüket, manapság pedig minden számítógépben, tabletben, mobiltelefonban, szenzorban és rengeteg egyéb berendezésben megtalálhatóak, vagyis nélkülük nem létezne az az okoseszközökre épülő világ, amiben élünk. Ha a tranzisztor már az első kvantumforradalom vívmányának tekinthető, akkor felmerül a kérdés, hogy a jelenleg zajló második kvantumforradalom találmányai az elkövetkező fél évszázad alatt vajon milyen karriert futnak be és a tranzisztorhoz hasonlóan alapjaiban változtatják-e meg a világot?

Ezt a kérdést egyelőre lehetetlen pontosan megválaszolni, de sok olyan kutatócsoport dolgozik ma is a világ különböző laboratóriumaiban, akik azon vannak, hogy a kvantumos világ jelenségeinek kiaknázása új és hasznos eredményeket hozzon ne csak a tudósok számára, hanem minden ember életébe. Nincs ez másként Magyarországon sem, ahol a hazai kutatók munkáját a 2020-ban létrehozott Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium fogja össze, aminek célja, hogy a kutatóintézetekben és egyetemeken dolgozó fizikusok, mérnökök, matematikusok és informatikusok kvantumtechnológiával kapcsolatos kutatásait elősegítse és összehangolt fejlesztésekkel maximalizálja Magyarország szerepét a kvantuminformatika területén.

A KNL-hez tartozó BME, ELTE és Wigner Fizikai Kutatóközpont szakértői egy június 9-én rendezett workshopon mutatták be a legújabb eredményeiket, amelyek között az optikai szálas kvantumhálózatoktól a kvantuminterfészeken át a kvantumos szimulációkig számos úttörő jellegű technológiai megoldás szerepel.

Ahogy azt Domokos Péter, a Wigner Fizikai Kutatóközpont főigazgató-helyettese előadásában elmondta, a Bell Labs tranzisztorának ma kapható utódai közül több fajta is néhány forintért megvehető, vagyis az egyik legolcsóbb termék a boltokban - ekkora ugrást sikerült elérni több mint 50 év leforgása alatt a fejlesztésekben. Ezen analógia mentén elképzelhető, hogy a kvantum számítástechnika területén is hasonlóan jelentős változások történnek, ötven év múltán derül majd ki, hogy a nemrégen kvantumfölényt demonstráló, Google által gyártott Sycamore chip leszármazottai és más találmányok hogyan teljesítenek majd.

Az európai országok között Magyarországon ugyan kevés dedikált és támogatott kvantuminformatikai program fut jelenleg, de mégsem lehet azt mondani, hogy le lennénk maradva az európai átlagot nézve, mivel sok országban egyáltalán nincsenek hasonló projektek és azok a nemzetek, amelyek jelentős pénzeket fektetnek kvantumfizikai kutatásokba, jellemzően saját kvantumszámítógép építését tervezik, ami rendkívüli költségekkel jár. A kontinensen Németország, Franciaország, Hollandia és Izrael jár élen a kvantumprogramok számának és támogatásának tekintetében, de Magyarország a saját kutatás-fejlesztés mellett sok nemzetközi programba is bekapcsolódik.

Ilyen többek között az OpenQKD (Open European Quantum Disrtibution), aminek célja, hogy erősítse Európa szerepét a kvantumkommunikációs hálózatok fejlesztésének terén, az EuroQCI (European Quantum Communication Infrastructure), amelynek keretében egy biztonságos, páneurópai kvantumhálózatot terveznek kialakítani, a Quapital (Quantum Photonic Intercity TrAnsmission Lattice), ami az első optikai hálózatra alapozott kvantuminternet-hálózat lesz a közép-kelet-európai régió nagyvárosai között és több ESA (Európai Űrügynökség) program is.

A Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium tehát több egyetem kutatócsoportjainak munkáját fogja össze hat munkacsomagra (WP) osztva: ezeknek a csoportoknak a legújabb projektjeibe kaphattunk betekintést a workshop alatt.

WP1

A WP1 főbb projektjeit Bacsárdi László, a Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratórium vezetője mutatta be: ezek közé tartozik az optikai szálas kvantumhálózat kialakítása, a szabadlégköri kvantumhálózat létrehozása, a kvantumos véletlenszámgenerátor megépítése és az összefonódott fotonpárok telekommunikációs hullámhosszon való működésének vizsgálata. A WP1 csoport munkájának fókuszában a Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium három fő stratégiai célja közül az egyik elérése áll: egy regionális kvantumkommunikációs hálózat létrehozása, ami csatlakozik majd az európai kvantuminternethez.

Ehhez a célhoz az elmúlt évben több lépéssel is közelebb kerültek a kutatók, 2022 áprilisában például először demonstrálták azt a fajta kvantum kulcsmegosztási technológiát sikeresen, amelyhez optikai szálakon átküldött fotonokat használtak, májusban pedig ugyanezzel a módszerrel máris újabb távolsági rekordot állítottak fel, mikor a BME I-es épülete és a Wigner Fizikai Kutatóközpont épülete közötti 20,813 kilométeres távon továbbították a részecskéket a Magyar Telekom által biztosított optikai szálas rendszeren át. Emellett a szabadtéri kvantumkulcs-szétosztás tesztelése is zajlik a Vodafone együttműködésével és több új, speciális berendezés is elősegíti a munkát: többek között egy összefonódott fotonpár forrás, ami összefonódás állapotában lévő részecskéket generál lézerek és tükrök segítségével.

WP2

A WP2 munkájáról Gali Ádám, a Wigner FK csoportvezető fizikusa árult el részleteket: ez a csoport kvantuminterfészekkel foglalkozik, ezen belül a kutatásaik témáját az egyedi kvantumrendszerek izolációja és manipulációja, a szuperpozíciós állapot és az egyedi spinrendszerek tanulmányozása adja. A Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium projektjeinek keretében kétféle interfésszel, az ion-, és atomcsapdákra épülő atom-foton interfészekkel és a spin-foton interfészekkel foglalkoznak, ez utóbbi a szilárdtestekben előforduló ponthibák segítségével alakítható ki. Az atomcsapdás megoldás rendkívül nehezen megvalósítható, de a fejlesztések már zajlanak és a jövőben ez a módszer ígéretes opciót nyújthat majd a kvantuminterfészek megalapozásához. A kvantuminterfészek a különféle kvantumrendszerek, fotonok, ionok, atomok és kvantumpontok közötti átjárást, illetve összeköttetést biztosíthatják majd, ami alapvető fontosságú a kvantumszámítási rendszerek megbízható információtovábbítási teljesítménye szempontjából.

A WP2 csoport számos nemzetközi együttműködésben vesz részt és cégekkel való közös fejlesztéseket is végeznek, valamint a kvantumos memória kialakításával kapcsolatos kutatásokon dolgoznak. A memória az összefonódott részecskékre alapozott kvantumkommunikációs hálózatok egyik kulcsfontosságú része és már sikerült részleges eredményeket elérni az optikai szállal kompatibilis hullámhosszon, 1550 nm-en világító anyagokkal való kísérletek során.

WP3

A WP3 csoport a szilárdtestfizikai alapú kvantumbit-tárolók fejlesztésén dolgozik és munkájuk során többek között a szupravezető qubitok vizsgálatával foglalkoznak, amelyek működését Fülöp Gergő, a BME fizikusa mutatta be. A kísérletek elsősorban az úgynevezett Josephson-átmenet alkalmazására épülnek, ami két szupravezető elektróda közötti szigetelő oxidrétegből áll és az alagúteffektus révén valósítja meg a részecskék továbbítását. A kutatók a szupravezetőkkel kapcsolatos áram-fázis reláció meghatározásának terén értek el eredményeket, a mérést architekturális szempontból ugyanolyan chip-elrendezéssel végezték el, mint amelyet a Google is használ a qubitok kiolvasásához.

"Az áram fázis-reláció nem teljesen szinuszos, ami arra utal, hogy vannak magas vezetőképességű csatornák a Josephson-átmenetben."

- magyarázta Fülöp Gergő, hozzátéve, hogy később egy letisztultabb spektrumú elrendezés segítségével hozzák majd létre ebből a kvantum biteket.

Más típusú áramkörök kutatása során a rezisztív kapcsoló memóriák, vagyis memrisztorok vizsgálatait is végezték a WP3 kutatói: a memrisztorok mesterséges szinapszisként tudnak működni, nagyfeszültséggel programozhatóak, hangolható a vezetőképességük és jól alkalmazhatóak arra, hogy mesterséges neurális hálózatokban tárolják a súlymátrixot. A spektroszkópiás mérések és további fejlesztések után sikerült olyan áramkört alkotni, amiben hosszú távú memóriafunkciót lehetséges kiváltani.

WP4

A WP4 munkájának fókuszában az optikai kvantuminformatikai laboratórium kiépítése áll, aminek kezdetét 2020-ban egy optikai kvantumszámítógép megalkotására irányuló projekt jelentette. A csomagon jelenleg csak három szakértő dolgozik - mondta el Vattay Gábor, az ELTE TTK professzora, de az első lépések már megtörténtek az elmúlt években: felépült a laboratórium helyisége és elhelyezték benne a rezgésmentes optikai asztalt és egyéb alapvető berendezéseket is. Ahogy Vattay elmondta, az eszköz, amit építenek, tulajdonképpen egy kvantum Galton-deszkának fogható fel, aminek eredeti (nem kvantumos) verziója egy valószínűségszámítással kapcsolatos matematikai kísérlethez használatos berendezés.

A kvantum Galton-deszkában a hagyományos golyók helyett fotonokat "dobálnak be" az eszközbe,

amiben nem a klasszikus valószínűségszámítás szabályai, hanem a kvantummechanika szabályai érvényesülnek a részecskék kimeneti elrendezését illetően és a végeredmény a kvantumösszefonódás szabályait tükrözi majd. Egy ehhez hasonló struktúrával (Jiuzhang) demonstrálták kínai kutatók a kvantumelsőbbséget 2020-as kísérletükben - ennek kisméretű verzióját hozzák létre a magyar szakértők.

A kutatók nemrégen beszerezték a kísérlethez szükséges, nyolc bemenetes fotonikus chipet, a Quix gyártmányát, ami egyúttal a közép-kelet-európai régió első kvantumhardverét jelentette. A chipet bozonmintavételi kísérletekhez fogják tehát használni és tesztelését a múlt évben végezték el, de a további műszerek nagy része, a fotonforrás és az egyfoton detektorrendszer még hiányzik a munka kivitelezéséhez. Jelenleg a projekt a közbeszerzési folyamatnál tart, a bonyolult kísérlet megvalósítása majd ennek lezárulása után következhet.

WP5

A WP5 kutatói kvantumszámítással és kvantumszimulációkkal foglalkoznak: kvantumalgoritmusok fejlesztése, kvantumarchitektúrák minősítése, az erőforrások tesztelése jelenti az első feladatot, az optimalizáció, kvantumos gépi tanulás, valamint mesterséges intelligencia és kvantumszámítás ötvözése alkotja a második feladatkört és klasszikus számítógépek segítségével végzett kvantumrendszer-szimulációk a harmadikat. Kiss Tamásnak, a Wigner Fizikai Kutatóközpont csoportvezető fizikusának elmondása szerint a munkacsoport számos intézmény kutatóinak munkáját foglalja magában és ennek során több eredményt is eltértek az elmúlt időkben, elsősorban elméleti téren, mivel a WP5 projektjei nem kifejezetten a gyakorlati kísérletekre fókuszálnak.

A nemlineáris kvantumprotokollokkal kapcsolatos vizsgálatokkal kezdve a kvantum annealing elvén működő kvantumszámítógépek működésének tanulmányozásán át a nemklasszikus párokat szimuláló emulátor létrehozásáig többféle területen végeztek kutatásokat a szakértők, emellett nemzetközi projektekben is részt vettek.

Egyes kutatók, eredményeiknek köszönhetően az OpenSuperQPlus programba is bekerültek, ami az Európai Unió által finanszírozott projekt egy 1000 qubitos kvantumszámítógép létrehozásának céljával. A programban 10 ország 28 intézetéből vesznek részt szakértők és az OpenSuperQ program folytatásaként indították idén márciusban.

WP6

A WP6 csoport a kvantumszámítási rendszerek szoftvertechnológiájának fejlesztésével foglalkozik, ezen belül a kvantumszámítógépek programozásának szoftvertechnológiai megalapozásával, a kvantumszámítógépek szimulációjával és posztkvantum kriptográfiával. A legfontosabb tevékenységet egy fotonikus kvantumszámítógép szimulátor elkészítése jelenti, ami a Piquasso nevet viseli. Az elmúlt időben ennek fejlesztésén dolgoztak a csoport tagjai és sikerült, többek között, a TensorFlow-val integrálni a rendszert. A Piquasso mindenki számára elérhető, aki például szeretné fotonikus áramkörök összeillesztését megtanulni.

Kozsik Tamás, az ELTE Informatikai Kar egyetemi docense elmondta, hogy a WP6 emellett a posztkvantum kriptográfiával kapcsolatos, kvantumrezisztens algoritmusok fejlesztésén, javításán is dolgozik és az elmúlt nyáron nagy sikerű nyári iskolát is rendeztek a témában.

(Fotó: Wikimedia Commons, Robert Coelius/Michigan Engineering Communications & Marketing, David Wall/Getty Images)