A kvantumfizika Magyarországon is kiléphet az elméleti keretek közül: ami nemrég még csak érdekességként szerepelt a tankönyvekben, azokból hamarosan valódi kísérletek lesznek itthon, más dolgok pedig már tananyaggá váltak. Jöhet a jobb képalkotás, az eddig megoldhatatlan matematikai problémákat megoldó kvantumszámítógép és a gyorsabban fejlődő hipervasút is. Min dolgoznak a magyar kutatók, és mire kell a pénz? Egyáltalán, mi az a kvantumfizika?

Domokos Péter fizikus, kutató professzor, a Nemzeti Kvantumtechnológiai Program vezetője

Fekete-fehér, igen-nem. Szeretjük, ha tisztán és érthetően tudunk választani két dolog között. Valami ott van vagy nincs. Ám ahogy a tudomány fejlődött, kiderült, hogy a világ ennél sokkal bonyolultabb, és ahol a hagyományos fizika széttárja a kezét, és csak legyint, ott köszön be a kvantumfizika.

Az egyik legismertebb gondolatkísérlet Schrödinger szerencsétlen sorsú (állapotú) macskájáról szól: a macskát egy dobozba zárják, mellette egy radioaktív anyag, amelyben egy óra alatt vagy lebomlik egy atom vagy ugyanakkora valószínűséggel nem. Ha bomlik, észleli a radioaktivitásmérő, elenged egy kalapácsot, összetör egy mérgező anyagot tartalmazó (hidrogén-cianid) üveget, és megöli a macskát. Az elmélet lényege, hogy addig, amíg bele nem nézünk a dobozba, nem lehetünk biztosak sem abban, hogy a macska él, sem abban, hogy elpusztult, így tekinthetjük úgy, hogy mivel nem látjuk, lehet élő is, meg halott is, és csak akkor lehetünk bizonyosak benne, ha kinyitottuk a dobozt. De mire jó ez?

Bár a macska esete egy elméleti felvetés, és nem tűnik természetesnek, hogy valami egyszerre legyen ez is meg az is, nem mondhatjuk azt, hogy ez csupán kitaláció – itt van a fény, ami egyszerre hullám és részecske is. Márpedig, ha így van, akkor abból ki is lehet hozni valamit.

Magyarország rákapcsol

Dr. Domokos Péter a hazai kvantumfizika egyik legnagyobb szaktekintélye, ő lett annak a kutatási konzorciumnak a vezetője, mely megvalósítja a magyarországi Kvantumtechnológiai Programot a következő négy évben. Bár a tudományág alig százéves, már elég komoly eredmények születtek, és nemcsak elméleti szinten. A kvantumtudományok a kommunikációtól kezdve a méréseken át számtalan helyen hozhatnak hatalmas előrelépést.

A konzorciumnak négy ipari partnere van, az egyik a mikrohullámú kommunikációban érdekelt Bonn Hungary Electronics; az Erricsson, akik a kriptográfiai megoldásokat kutatják; a Nokia Bell, akiknek egy mesterséges intelligencia-kutatóközpontja van itt, ők azt nézik, hogy milyen szoftvert lehetne írni a kvantumszmítógép hardvereire; és az orvosi mikroszkópok gyártásával foglalkozó Femtonics.

„A programmal lényegében azt, amit eddig itthon csak elméleti síkon próbáltunk, mostantól a gyakorlatba is átültethetjük” – foglalja össze tömören a professzor. Az NKFI Alapból finanszírozott Nemzeti Kvantumtechnológiai Programnak köszönhetően öt új laboratóriumot tudtak felépíteni, illetve két másikat modernizálni. „Gyorsan végzek egy fejszámolást, egy jól felszerelt labor nagyjából 150-200 millió forintnál kezdődik, de nyilván a felső határ az a csillagos ég” – teszi hozzá.

Egy optikai laboratóriumnak például elég húsz négyzetméter is, az úgynevezett tabletop-kísérletekhez pont annyi hely kell, amekkorát a neve is sugall: egy asztallap. „Főleg az optikai kísérleteknél sok kis eszközt kell használni, az elavulást nézve ez elég sok lehet, de jobb a helyzet, mintha lenne egy 200 milliós gép, ami pár év alatt elavul, és utána csak néha használják egy-egy kísérletre. Ilyen eszközünk például a fotondetektor: ha elromlik, és egy modult ki kell cserélni benne, az csak pár milliós tétel, nem éri el a százmilliós összeget. A kísérletekhez használt lézereket, ha nagyon megszorulnánk, meg is tudjuk építeni a viszonylag olcsó alkatrészekből” – mondja.

A programmal bizonyos területeken Magyarország felzárkózhat, más területeken pedig akár élre is törhet a régióban. „A kvantumkriptográfia területén az alapkutatási, elektromágneses kutatásokra már nincs szükség, már át lehet tenni abba a kalapba, hogy megtanulják a villamosmérnök hallgatók az alapműveleteket, és abból már önállóan is fejleszthetnek, sőt, ipari partnerrel is együtt dolgoznak. A kriptográfiai rész tehát már inkább egy műszaki, matematikai dolog.”

Domokos szerint a program segítségével most egy olyan megoldás kifejlesztésére is lehet esély, amivel előzzük a régiót. „A hagyományos telekommunikációs infrastruktúra – jelenlegi tudásunk alapján – nem teszi lehetővé a kvantumkommunikációt, mert pár száz méter után elveszik a jel. Olyan hullámhosszú fénnyel kellene megoldani a fotonok küldését, ami ezeken a már meglévő, hagyományos hálózatokon is működnek” – mondja. Ez az egyik fejlesztési cél az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontban: olyan szennyezőanyagokat keresnek nanokristályokon, amelyeket lehet erre használni.

Megoldhatják az utazóügynökök problémáját

Persze nemcsak a kommunikáció terén innoválhatnak a fizikusok, hanem például az orvosi képalkotó eljárásoknál is. „A kvantumtechnológia például a mágnesesrezonancia-mérések, például az MRI-nél is nagy fejlődést hozhat. A hagyományos eljárás sok forrásból, úgynevezett spinrezonanciából kapott jelet a gép, ennek térbeli felbontása nem jó” – azaz nem lesz könnyen olvasható a végeredmény. Van olyan módszer, ami a mágneses rezonanciát lézerrel olvassa; nem a magspin jelét, hanem a spinben történő változást lehet optikai jellé alakítani – a lényeg, hogy tisztább végeredményt kaphatunk. „Ezt az agykutatásban is lehet hasznosítani. A négyéves program végére, az utolsó évben biológiai mintákon akarják tesztelni, ráadásul ezen a piacon ezt a módszert még nem használják, így elsők és piacvezetők lehetünk” – jegyzi meg Domokos Péter.

Azok a csoportok, akik ebben a programban részt vesznek, már bizonyítottak az MTA Lendület programjában, vagy kivívták az európai ERC (European Research Council - Európai Kutatási Tanács) kiválósági díjat. „Megfelelnek az európai színvonalnak, és fontos hiányosságot tudunk felszámolni a következő években azzal, hogy a kísérleti fejlesztéseink eddig nem voltak túl erősek. Most áttevődik a hangsúly az elméleti kutatásról a gyakorlatira. Ebben van bizonyos fokú kockázat, de ha sikerül, akkor elérhetjük azt a pozíciót Európában, ami a méretünkkel arányos. Nem mi leszünk a legerősebbek, mert a szomszédos Ausztria világviszonylatban is egyedülálló például a kvantumkommunikációban, de velük is együttműködünk” – mondja a professzor.

Noha a kilencvenes években még a szakmán belül is erőteljes szkepticizmus uralkodott a kvantumszámítógépek használhatóságának ötletéről, az utóbbi években olyan nagy cégek is építettek már kvantumszámítógépeket, mint a Google és az IBM, és úgy tűnik, lehet is áttörés. Nem arról van szó, hogy ezek a gépek majd helyettesítik a személyi számítógépeket, azért a gyakorlati hasznuk mégis nagy lehet.

„Olyan matematikai műveleteket is el lehet végezni velük, amiket korábban egy hagyományos géppel lehetetlen lett volna, ehhez viszont direkt célhardvert (áramköröket) kell legyártani” – mondja Domokos Péter. Egy ilyen már képes arra, hogy megoldja az úgynevezett utazóügynök problémáját: nekik meg kell találniuk a legrövidebb, legköltséghatékonyabb útvonalat, amelyen keresztül minden célvárost érinteni tud egyszer, és a végén a kiindulási helyre ér vissza. A probléma, hogy ha elég nagy a hálózat, ezt nem bírja kiszámolni egy mai számítógép. A BME-nek van mára van két csoportja, akik Magyarországon először hoznak létre ilyen, a probléma megoldására valószínűleg képes áramköröket.

Megérthetjük, hogy működnek a szupravezetők

A kvantumszimuláció hasonló koncepció alapján működik, de ott az a probléma, amit megold a hardver, az elősorban a fizikusoknak érdekes, de persze később a mindennapi életbe is beszivároghat. „Például nem tudjuk, hogy mitől lesz szupravezető egy anyag, még nem tudunk ilyet tervezni. Az a modell, ami ezt leírná, nem oldható meg hagyományos módszerrel. Most lehetőségünk lesz arra, hogy ha felvázolunk egy lehetséges modellt, akkor azt a gyakorlatban is kipróbálhassuk. Mert atomokból fel lehet építeni olyan modellt, amiben nem az elektronok mozognak az ionok rácsában, hanem atomok ugrálnak egy fényrácsban, amit lézerrel hozunk létre, és ennek segítségével szimuláljuk az elektronok mozgását.”

A szupravezetőket például a hipervasutak építésénél használják. Ha megtalálják a módszert arra, hogy állítsák elő őket mesterségesen, az nagy löketet adhat a fejlesztéseknek. De a gyakorlati hasznosításnak itt nincs vége: a kvantummechanika egyik nagy felismerése az volt, hogy az anyag is egy hullám, ami interferál, és ez ki lehet használni: például földalatti nyersanyag-mezőket találhatunk  érzékeny atominterferométerek felhasználásával.

Nyári kurzus indulna fiataloknak

A program nemcsak a lehetőséget teremti meg a gyakorlati fejlesztésekre, de Magyarországot is egy sokkal vonzóbb tudományos központtá teszi. Domokos Péter szerint nem azt akarják megakadályozni, hogy a fiatalok elmenjenek külföldre, hiszen az ott megszerezhető tudás rendkívül értékes, hanem azt szorgalmazzák, hogy Magyarországra visszatérve olyan színvonalat biztosíthassanak a kutatásaiknak, ami miatt érdemes itthon folytatni azokat. „Rendhagyó kurzusokat szeretnék létrehozni, amit nyáron is el lehet végezni, mert azt látom, hogy azok a diákok, akik kimennek és külföldön tanulnak, nagyon motiváltak, és bizonyítani akarnak akkor is, amikor hazajönnek a szünetre, hiszen ez a családjuk részéről sokszor komoly anyagi áldozatot jelent a külföldi tanulás” – mondja.

A fejlesztések hatására nemcsak a tudományos tevékenység emelkedik egy új szintre, de a régión belüli szerepünk is megnő, és Magyarország sokkal jobb esélyekkel indulhat az uniós pályázatokon, mint például a 2018-ban induló nagyszabású Quantum Technologies Flagship programban.

További információ:

3,5 milliárd forinttal támogatja az állam a Nemzeti Kvantumtechnológiai Program megvalósítását

Quantum Europe 2017: Towards the Quantum Technology Flagship