Lendületes kutató nyert ERC Consolidator Grantet

ERC-nyertes pályázata, bár alapkutatási jellegű, mégis szorosan kapcsolódik a kvantuminformatikához. Mi teszi ezt a területet tudományos szempontból érdekessé az ön számára?

Makk Péter

Az elmúlt Az MTA-BME Lendület Korrelált van de Waals Struktúrák Kutatócsoport honlapjaévekben nap mint nap érkeznek hírek kvantuminformatikai áttörésekről. Már szinte meg sem lepődünk azon, hogy a nagy technológiai cégek kvantumszámítógépei néhány perc alatt elvégeztek egy olyan számítást, amely klasszikus komputereknek több ezer évig tartott volna. A kvantumszámítógépeket jelenleg jellemzően a korábban szinte megfejthetetlennek hitt matematikai problémák megoldása céljából építik. Ilyen probléma például a klasszikus informatikai eljárásokkal feltörhetetlen titkosítások feltörése, illetve ténylegesen feltörhetetlen kriptográfiai algoritmusok fejlesztése. Egy másik terjedőben lévő alkalmazás során olyan molekulák térszerkezetét lehet kvantumszámítógépekkel meghatározni, amelyeket a hagyományos módszerekkel lehetetlen, vagy nagyon hosszadalmas lenne. Vagyis ma még beláthatatlanul sokrétű lesz a kvantuminformatika alkalmazhatósága.

Ez hallatlanul szerteágazó téma. Az ön kutatásai ennek mely aspektusára fognak fókuszálni?

Mindez a valóban lenyűgöző fejlődés nem jelenti azt, hogy ne lennének még leküzdendő akadályok és kihívások a kvantum-számítástudományban. Talán az

a legnagyobb kihívás, hogy a kvantumszámítógépek alapegységei, a kvantumbitek (qubitek) könnyen elveszítik az információt a környezetükkel folytatott kölcsönhatásuk közben.

Vagyis elsődleges fontosságú, hogy ezeket az egységeket szeparálni tudjuk a környezettől, hogy ezáltal megakadályozzuk a bennük tárolt információ elvesztését. Itt lép a képbe a szilárdtest-fizika, amelynek éppen ezért lett manapság az egyik leginkább kutatott területe az olyan anyagok fejlesztése vagy keresése, amelyek olyan belső védelemmel, olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek meggátolják a beléjük kódolt információ elvesztését. Ezeket az anyagokat topologikus anyagoknak hívjuk. Mi is e területet fogjuk kutatni az ERC támogatása segítségével.

Milyen anyagcsaládok jöhetnek szóba erre a célra?

Számos anyagtípust vizsgálnak a világ kutatói, de talán az egyik legizgalmasabb anyagcsaládot az úgynevezett kétdimenziós csavart szerkezetek jelentik, és ezekkel foglalkozik az én ERC-pályázatom is. A kétdimenziós anyagok talán legismertebb képviselője a grafén, de ma már számos más ilyen egy atom vastagságú anyag létezik. Közös jellemzőjük, hogy általában nagyobb kristályok elvékonyításával állítják elő őket. Ha e kétdimenziós anyagokat kontrolláltan egymásra helyezzük, új tulajdonságokkal felruházott szerkezeteket kaphatunk. A szilárdtest-fizika utóbbi években elért talán legnagyobb felfedezése az volt, hogy felismertük, mekkora jelentősége van az egymásra helyezett kétdimenziós rétegek egymáshoz viszonyított elforgatási szögének. Ha például két grafénrácsot úgy helyezünk egymásra, hogy az egyik réteget bizonyos mértékben elforgatjuk a másikhoz képest, akkor gyökeresen megváltoznak a létrejövő anyag tulajdonságai.

Miben állnak e megváltozott jellegzetességek?

Itt szó szerint radikális változásokra kell gondolni. Például, ha egyszerű fémes vagy félvezető tulajdonságú anyagokat helyezünk egymásra, a legkülönfélébb tulajdonságok jelenhetnek meg a rendszerben: például szupravezetés (ellenállás nélküli vezető állapot), számos eltérő mágneses állapot, ferroelektromos tulajdonságok. Ezek egy része úgynevezett topologikus állapot, vagyis robusztus a külső hatásokkal szemben. Itt kapcsolódik össze újra a történet a kvantumtechnológiával. Van ugyanis egy új és izgalmas anyagcsalád, amely alapkutatási szempontból is rendkívül érdekes, de ha azt nézzük, hogy milyen lehetséges jövőbeli felhasználási területei lehetnek a következő években megértett jellegzetességeinek, akkor egyértelmű, hogy a topologikus állapotok a kvantum-számítástudomány számára bírhatnak felbecsülhetetlen jelentőséggel.

Milyen mechanizmus révén jelennek meg ezek az új tulajdonságok az egymásra helyezett kétdimenziós anyagokban?

E jellegzetességek azon alapulnak, hogy a rétegek közötti kölcsönhatás eredményeképpen nagyon erősen hatnak kölcsön egymással az elektronok. Ez abból a szempontból is érdekes, hogy számos jelenség, például a szupravezetés és a ferroelektromosság is csak úgy érthető meg, ha figyelembe vesszük az elektronok közötti kölcsönhatásokat. De rengeteg mindent nem tudunk még e jelenségek hátteréről, éppen ezért választottam ezen anyagcsalád új módszerekkel való vizsgálatát az ERC-pályázatom témájául. Az elmúlt években nagyon sok eredményt közöltek e területről, és szinte hetente jelennek meg ezzel kapcsolatos cikkek a Nature-ben vagy a Science-ben. A rengeteg kutatás dacára azonban sok alaptulajdonságot sem ismerünk ezzel az anyagcsaláddal kapcsolatban.

Mi arra vállalkozunk, hogy új vizsgálati technikák kidolgozásával közelebb lépünk a ma még nem értett tulajdonságok hátterének feltárásához.

Két fő technikát vizsgálunk. Az egyik a rétegek közötti távolságot megváltoztató nyomás változtatása. Ez azért izgalmas a mi szempontunkból, mert a távolsággal hangolhatjuk az elektronok közötti kölcsönhatások erősségét. A másik technika pedig a mechanikai feszültség módosítása. Ha például meghúzzuk ezeket az rétegeket egymáshoz képest, azzal ugyancsak befolyásolhatjuk az elektronok közötti kölcsönhatások erősségét, illetve a rendszer szimmetriáját is változtathatjuk. E technikákkal igyekszünk tehát az egymásra helyezett kétdimenziós anyagok állapotait feltérképezni, illetve új, korábban nem létező állapotokat is létre fogunk hozni.

Vannak a természetben is előforduló megfelelőik ezeknek az anyagoknak, vagy soha korábban nem létezett ez az anyagcsalád?

Az alapanyagként használt kristályok a természetben is megtalálhatók, de éppen azáltal ruházzuk fel őket korábban nem látott tulajdonságokkal, hogy olyan elrendezésben építjük fel a rétegeiket, ami teljesen mesterséges, és nem követi a természetben megszokott törvényszerűségeket. A grafitban például egyértelműen meghatározott, hogy a szénatomrétegeknek hogyan kell állniuk az alattuk és felettük lévő rétegekhez képest. Ezzel szemben mi forgatással úgynevezett metastabil állapotot teremtünk. Ehhez kapcsolódik a pályázat legnagyobb kihívása is. Egyrészt létre kell hoznunk e szerkezeteket, elő kell állítanunk a megfelelő anyagokat, amelyeket aztán a megfelelő forgatási szögben egymásra kell rétegeznünk. Ezután nanoáramköröket kell készítenünk a létrehozott szerkezetekhez, hogy elektromos méréseket tudjunk végezni rajtuk. De ezután le kell hűtenünk a rendszert az abszolút nulla fok közelébe (néhány millikelvines hőmérsékletre), mert ezek az izgalmas tulajdonságok ott jelennek meg. Ezen a minimális hőmérsékleten kell elvégeznünk a nyomás- és feszültségkísérleteket. A heteroszerkezetek összeállítását és az alacsony hőmérsékleti méréseket a BME Fizika Tanszékén végezzük, míg az áramköröket az EK MFA Nanoérzékelők Laboratóriumával közösen állítjuk elő.

Mikor várhatjuk azt, hogy e kétdimenziós anyagokból felépített szerkezetek valóban megjelennek a kvantumszámítógépekben?

Erre nehéz válaszolni jelen pillanatban. Mi alapkutatást folytatunk, ezeknek az anyagoknak a tulajdonságait akarjuk megérteni. Nem is feltétlenül azokat az anyagokat fogják egyszer (talán húsz év múlva) beépíteni a kvantumszámítógépekbe, amelyeket mi fogunk vizsgálni, de ezek megértése hozzá fogja segíteni a kutatókat ahhoz, hogy új anyagokat tudjanak tervezni a jövőben. Bár nagyon intenzíven folynak a kutatások e területen, de az még viszonylag távol van, hogy ilyen anyagokból sok információs alapegységet tudjanak megbízhatóan gyártani. Ugyanakkor nem szabad csak a kvantuminformatikára koncentrálnunk, mert e kétdimenziós szerkezetekben megjelenhetnek olyan különös mágneses állapotok is, amelyeknek egy másik kibontakozó elektronikai tudományterületen, az úgynevezett spintronikában lehet szerepük. A spintronikában nem az elektronok töltését, hanem spinjét használják a számítási feladatok elvégzésére. Nem közismert, de spintronikai eszközöket mindannyian használunk nap mint nap, hiszen például ezen az alapon működik a merevlemezekben folyó mágneses adattárolás is.

A BME-n idén indul a fizikus-mérnök képzés, amelynek hallgatói ebben és ehhez hasonló kutatásokban is részt vehetnek. A képzés során kiemelt szerepet kap a nano- és a kvantumtechnológia, és például a felhőn keresztül programozhatják az IBM kvantumszámítógépét is. A program szervesen illeszkedik a Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium kutatásai közé.