Ivády Viktor

Az ELTE Fizikai és Csillagászati Intézetében működő MTA–ELTE Lendület ÚjKubit Kutatócsoport

fő célkitűzése, hogy különböző félvezető és kétdimenziós anyagokban, sőt makromolekulákban találjanak kvantumbiteket (vagy qubiteket).

Tehát ők nem előállítják ezeket az egységeket, hanem elsősorban az anyagokban kialakuló és akár természetes körülmények közt is megfigyelhető kvantumbiteket kutatják fel számítógépes szimulációk segítségével. De hogyan jöhet létre egy kvantumbit az anyagok belsejében, és hogyan létezhet fizikai objektumként? Hiszen a bit fogalma a köztudatban inkább az információelmélet absztrakt egységeihez kötődik. Ennek megértéséhez vissza kell mennünk az elemi részecskék alapvető viselkedéséhez.

„Az elemi részecskék nagyon másképp működnek, mint ahogy azt a klasszikus fizikában megszoktuk. Viszont, amikor összerakunk több elemi részecskét, az egyéni kvantumos tulajdonságaik jórészt elvesznek, és együttesen létrehoznak sokkal egyszerűbben leírható testeket – kezdi a magyarázatot Ivády Viktor, az MTA–ELTE Lendület ÚjKubit Kutatócsoport vezetője. – A kubitek megvalósítása során kiválasztjuk e fizikai rendszerek egy kis részét, és valamilyen módon megpróbáljuk elkülöníteni a környezetétől. Ilyenkor az elkülönített rendszerben újra megfigyelhetők egyedi kvantumos jelenségek. Ezekben nagyon gazdag fizika rejlik, ami kísérleti és számítógépes szimulációk segítségével is vizsgálható. Az e téren folytatott kutatások e fizikai tulajdonságok kihasználását tűzték ki célul.”

A fizikus a részecskék kvantumos tulajdonságának elvesztését azzal érzékelteti, hogy nagy tömegben az emberek is sokkal egyszerűbben viselkednek, mint egyedül: bár komplex és intelligens lények vagyunk, pánikhelyzetben a tömeg tagjainak viselkedését mégis jól lehet modellezni egyszerű golyók segítségével. A részecskék is nagyon bonyolultak, de ha nagyon sokat összerakunk belőlük, akkor e komplexitás nagy része eltűnik. A részecskék elkülönítésével újra előjöhetnek a kvantumos tulajdonságaik. De ahhoz, hogy e tulajdonságokat használni tudjuk valamire, kontrollálnunk is kell őket. Ez a két feltétel azonban sok esetben ellentmond egymásnak, ezért a kontrollálható kvantumos rendszerek létrehozása nagyon nehéz feladat.

Hogy lesznek ebből kvantumbitek az anyagok belsejében? Nos, a kutató értelmezésében a kvantumbitek a testek atomi szerkezetének olyan hibái, amelyek az elektronok számára csapdaként funkcionálnak, és ezáltal el tudnak néhány elemi részecskét különíteni az anyagokban található elektronfelhőből. A hiba nyomán csapdázott elektronok előbújó kvantumos tulajdonságait kontrollálni is lehet külső terek és fényimpulzusok segítségével.

A kvantumtechnológia számos alkalmazása arra épül, hogy e megtalált és izolált kvantumbiteket tervezett módon egymásra építik, és kvantumos eszközöket hoznak létre belőlük.

Amikor kvantumbitekről beszélünk, két különböző dologra gondolhatunk: a logikai kvantumbit egy matematikai-számítástechnikai fogalom, míg az itt szereplő fizikai kvantumbit a szilárd anyagok molekuláris struktúrájának sajátossága. Ezeknek az apró elektromos rendszereknek két sajátállapotuk van (a hagyományos bitekhez hasonlóan), de a kvantumosság miatt emellett a rendszer a két sajátállapot végtelen számú lineáris kombinációjának megfelelő állapotban is tartózkodhat. Így egy kvantumbit nemcsak egy diszkrét változó két állapotát (1 és 0) kódolhatja, hanem egyszerre két folytonos változót is.

„Kvantumbitekre többféleképpen is szert lehet tenni. A mi kutatócsoportunk nem tervezi a kvantumbiteket, hanem keresi őket az anyagban – folytatja Ivády Viktor. – Például a félvezető anyagok szerkezetében rengeteg különböző rácshiba található (hiányzik egy atom, vagy szennyező atomokat tartalmaz az anyag), és e hibák miatt azon a helyen létrejön egy különleges, atomi méretű rendszer, ami néhány elektronból áll. E rendszerek (vagyis a kvantumbitek) tulajdonságait bizonyos esetekben optikai módszerekkel és rádióhullámok segítségével szabályozhatjuk.”

A kutatócsoport olyan kvantumbiteket keres félvezető anyagokban és makromolekulákban, amelyek egy-egy meghatározott kvantumtechnológiai alkalmazásra a legjobbak.

Itt nem csupán a manapság legtöbbeket érdeklő kvantumszámítógépekről van szó, bár kétségtelenül a kvantum-számítástechnika a kvantumtechnológia legkifinomultabb alkalmazása. De Ivády Viktor szerint az továbbra is nagyon távoli cél, hogy olyan kvantumszámítógépet építsünk, amit közemberek olyan feladatokra tudnak használni, mint amilyeneket a jelenlegi komputerek végeznek. Vannak viszont olyan más kvantumtechnológiai alkalmazások, amelyek sokkal korábban megvalósulhatnak a mindennapi gyakorlatban is, főképpen az érzékelés, a kommunikáció és a méréstechnika területén. Ezek az alkalmazások némiképp egyszerűbbek, viszont már megkezdődött a térhódításuk, és számos területen már le is körözik a más megközelítést alkalmazó alternatívákat.

A kvantumbitek segítségével olyan méréstechnikai eljárások születnek, amelyek teljesen újszerű méréseket tesznek lehetővé, amilyenekről korábban nem is álmodhattak a kutatók és a mérnökök. Például az MRI-nek (a mágneses rezonancián alapuló képalkotásnak) is van már kvantumos változata, és a Lendület-kutatócsoport részben ennek fejlesztésére is fókuszál. Míg a hagyományos MRI legnagyobb felbontása néhány tizedmilliméteres, addig a kvantum-MRI potenciális felbontása elérheti akár a molekulák léptékét is. Ehhez egyedi kvantumbiteket kell kontrollált módon kölcsönhatásba hozni a környezetükkel, és akkor miniatűr szenzorként fognak viselkedni.

„Bár e kvantumbitek nem annyira híresek, mint a kvantumszámítógépek, ezek az alkalmazások sokkal közelebb állnak a megvalósításhoz. A gyémántban előforduló, úgynevezett NV-centrum kubiteket kis túlzással már boltban is lehet kapni, és az őket tartalmazó tűkkel nagy pontosságú méréseket lehet végezni – mondja Ivády Viktor. – E szenzorok igazán multidiszciplinárissá teszik a kvantumtechnológiát, hiszen a természettudományok legtöbb területén lehetnek alkalmazásai a biológiától a fizika legtöbb ágáig.”

A csoport a kutatásai során új kvantumbiteket tár majd fel, amelyek jobbak az adott feladatra, mint a már meglévők. Ehhez kétdimenziós félvezető anyagokat, például bór-nitritet használnak. Egy elképzelés szerint e kétdimenziós anyagokból olyan fóliákat lehet létrehozni, amelyekben rengeteg kvantumérzékelő található. Ha e fóliákat ráterítenénk valamilyen anyagra, akkor számos tulajdonságát meg lehetne mérni nagy térbeli felbontással. A kutatócsoport főként elméleti vizsgálatokat fog végezni: numerikus szimulációk segítségével keresik azokat az anyagokat és azokat az atomi hibákat, amelyek kvantumbiteket valósíthatnak meg. Így drasztikusan lerövidíthetik a megtalálásukhoz szükséges kísérleti időt. Emellett a már megtalált kvantumbiteket is teljeskörűen jellemzik matematikai módszerekkel.

Fizikai kvantumbitek természetesen is léteznek a szilárd testek atomi szerkezetében, így rájuk lehet találni. Ugyanakkor létre is lehet hozni őket, például neuronokkal vagy elektronokkal való besugárzással, ez a sugárzás ugyanis hibákat hoz létre a szerkezetben. Ilyen módon rengeteg hibát, akár köbcentiméterenként 10¹⁵ egyedi kvantumbitet is létre lehet hozni, ráadásul a létrejöttüket kontrollálni is lehet. Ebben a megközelítésben vannak a nagyobb lehetőségek, ezért a Lendület-csoport fő célkitűzése is az, hogy ilyen ellenőrzötten létrehozható hibákat keressenek és írjanak le.