Gali Ádám a haladó Lendület-pályázaton nyert támogatást, tehát a már régóta folyó, eddig is jelentős eredményeket hozó kvantumtechnológiai kutatásait fogja folytatni a Program segítségével. Az ő laborjukban sikerült például Magyarországon először kimérni egy szilárdtestben előállított kvantumbit működését. Saját értékelése szerint az eddigi legfontosabb eredménye

a szilárdtestekben lévő olyan ponthibák vagy molekulaszerű képződmények felfedezése és jellemzése volt, amelyek alkalmasak arra, hogy kvantumbitként funkcionáljanak.

Gali Ádám Fotó: dap.fat.bme.hu

„A kvantumbit a kvantumszámítógép legkisebb építőegysége, de nemcsak a kvantum-számítástechnikában lehető őket használni, hanem például a kvantumkommunikációban is szerepük lehet – mondja Gali Ádám. – A kvantumkommunikációban nem használhatunk klasszikus erősítőket. Ehelyett a továbbított jeleket időről időre úgynevezett kvantumrepeaterekkel („kvantumismétlőkkel”) adjuk át egymásnak, az összefonódott állapotaikat kihasználva.”

Matematikai fogalomból fizikai valóság

A kvantumbitek abból a szempontból hasonlítanak a konvencionális bitekre, hogy egész kvantuminformatikát építhetünk rájuk. Kezdetben a kvantumbitek is csak elméletben (matematikai fogalomként) léteztek, de ahhoz, hogy valós számítógép készülhessen belőlük, fizikailag is meg kell valósítani őket. A kvantumbit nemcsak két állapotban létezhet, hanem ezen állapotok összes lineáris kombinációja is előállhat. Ha a térben próbáljuk ezt elképzelni, akkor

a kvantumbit állapotát jellemző vektor nemcsak egy vonalban állhat két ellentétes irányban, hanem egy gömbfelületet leírva a tér minden irányában foroghat.

Vagyis egy kvantumbit állapota sokkal nagyobb teret képes lefedni, mint a hagyományos biteké, ezért a kvantumbitekből felépülő számítógépekkel olyan problémákat is meg lehet közelíteni, amit a klasszikus komputerek nem képesek kezelni. Vannak matematikai problémák, amelyek polinomiálisan bonyolódnak, ahogy egyre összetettebbé válnak. Ezeket hagyományos számítógépekkel is meg lehet oldani, legfeljebb még nagyobb szuperszámítógépet kell építenünk. Léteznek ugyanakkor exponenciálisan bonyolódó matematikai problémák is, amelyeknél exponenciálisan nő a szükséges számítási kapacitás és idő. Ezeket egy szint felett már nem lehet kezelni a klasszikus komputerekkel, ezekhez kell a kvantumszámítógép.

Atomi léptékek

A kvantumtechnológia harmadik nagy területe, a kvantumérzékelés (kvantumszenzorok fejlesztése) kapcsolódik a legszorosabban Gali Ádám kutatásaihoz. A szilárd testekben létrejövő kvantumbiteknek vannak előnyeik és hátrányaik is a szupravezető alapú kvantumbitekhez képest, amelyekből a jelenlegi kvantumszámítógépek többsége készül. Előnyük, hogy bizonyos esetekben könnyebb velük dolgozni, és akár szobahőmérsékleten is működhetnek (miközben a szupravezető kvantumbiteket nagyon alacsony hőmérsékletre kell lehűteni). A szilárd testben létrejövő kvantumbitek hátránya viszont, hogy nagyon érzékenyek a környezeti változásokra. Már a minimális mágneses vagy elektromos tér, esetleg mechanikai nyomás is befolyásolja a viselkedésüket.

Ez az érzékenység a kvantumszámítógépnél probléma, viszont a kvantumszenzornál pont erre van szükség:

e kvantumbitekből hihetetlenül pontos (szó szerint atomi léptékű) és megbízható érzékelőket lehet építeni, és mérésre használhatók.

„A kvantumszenzorok gyakorlatilag a kvantumbitek egyébként problémát jelentő érzékenységét használják ki: így jönnek létre azok az érzékelők, amelyeket máskülönben képtelenség lenne megvalósítani – folytatja Gali Ádám. – A kutatásaink révén miniatürizálhatjuk a kvantumszenzorokat, amelyek így sokkal jobban lesznek használhatók az űrtechnológiában (ahol nagyon fontos a súly és a méret). Emellett nem veszítjük szem elől a kvantumszámítógépeket sem, hiszen sok szempontból lenne előnyös, ha nem a szupravezető áramköröket, hanem esetleg a szilárdtest alapú kvantumbiteket használhatnánk a kvantumkomputerek építéséhez. Úgy véljük, hogy az utóbbi megoldás elméletileg jobban skálázható lenne, vagyis sokkal könnyebb lenne a mai néhány bitet tartalmazó számítógépekhez képest nagyságrendekkel bonyolultabb, akár több millió kvantumbitből álló komputereket építeni.”

Gali Ádám ennek ellenére arra számít, hogy a Lendület-kutatásaik eredményei inkább a kvantumjelismétlők és a kvantumszenzorok fejlesztésében lesznek használhatók, esetleg lerakhatják az újfajta kvantumszenzorok alapjait is. A mostani Lendület-támogatás a kutatócsoport elméleti kutatásait segíti. A fizikusnak most módja lesz olyan módszertani kutatásokat folytatni, amelyek hosszabb időt igényelnek, de rendkívül nagy a jelentőségük, hogy az optikai és mágneses tulajdonságokat együtt vizsgáló elméleti spektroszkópiák pontosságán javítani tudjanak. Ezen eredményekre alapozva később kísérleteket fognak végezni a saját kutatócsoportjukon belül vagy együttműködésben külföldi csoportokkal.

„Bizonyos területeken már olyannyira előrehaladottak a kutatásaink, hogy az elméletek fizikai megvalósítása is megtörtént, és cégekkel együttműködve már a kereskedelmi forgalomba hozható termék létrehozásán dolgozunk – mondja Gali Ádám.

– Az általunk fejlesztett kvantumszenzoros mikroszkópokat már nemcsak fizikusok fogják tudni használni, hanem rendkívül kifinomult ipari műszerként lesz használható (ahogy például elektronmikroszkópot is alkalmaznak a járműipari gyártás során a minőségellenőrzésben).”