Sárkány ellen sárkányfű: az ősrobbanástól a telefonjainkban megbúvó kvantummechanikáig – Videókon a „Kvantumok világa” ismeretterjesztő előadás-sorozat záró előadásai

Alapításának 200. évfordulóját többek között egy másfél éven át tartó programsorozattal ünnepli a Magyar Tudományos Akadémia. A Sokszínű tudomány című rendezvénysorozat keretében bemutatkozik többek között az MTA 11 tudományos osztálya: egy-egy hónapon át bemutatják a nagyközönségnek két évszázados tevékenységüket és napjainkban végzett munkájukat. A programsorozat első, a határon túli magyar tudományos műhelyek májusi ünnepi hónapja után először a Nyelv- és Irodalomtudományok Osztálya tartotta meg ünnepi rendezvényeit 2025 júniusában, amit szeptemberben a Fizikai Tudományok Osztálya követett. (Az Akadémia osztályainak ünnepi menetrendje cikkünk végén található.)

2025-ben nem csak az Akadémia ünnepli 200 éves fennállását – ugyanebben az évben ünnepli az emberiség a kvantumelmélet 100. születésnapját is. Ez az egykor ezoterikusnak, a mindennapoktól távolinak tűnő tudományág az elmúlt évszázadban átalakította a világ arculatát. Nemcsak a természettudományokban, azon belül a fizikában hozott szemléleti forradalmat, és nyitott meg számos gyökeresen új kutatási irányt, hanem a ráépülő modern technológia behatolt a mindennapi életbe is. A 200 éves Magyar Tudományos Akadémia Fizikai Tudományok Osztálya a kettős évfordulót megünneplendő a Kvantumok világa című előadás-sorozattal mutatta be a kvantumelmélet alapfogalmait, a köznapi szemlélet számára nehezen elfogadható, különös gondolatvilágát, a kvantumfizikára épülő új tudományágakat, valamint a kvantumelmélet eredményeit gyakorlati alkalmazásokra váltó modern technológiákat.

A 12 részes jubileumi előadás-sorozat szeptember 3-án vette kezdetét, a korábbi előadásokról ezekben a cikkekben közöltünk összefoglalót:

• A molekulákat összetartó erőktől Schrödinger macskájáig: A kvantumok világa ismeretterjesztő előadás-sorozat első videói
• Kvantumfizikai mikrovilág: a sejtektől a csillagokig, az elemi részecskéktől a rákterápiáig – Itt vannak „A kvantumok világa” ismeretterjesztő előadás-sorozat újabb videói

Az utolsó négy előadásról készült videókat a következőkben tesszük közzé.

A nanoelektronikától a kvantumelektronika felé

Az elmúlt évtizedekben az elektronika szédületes fejlődésének lehettünk tanúi, ami teljesen átalakította mindennapjaikat. Csonka Szabolcs, a hazai kvantum- és nanoáramkör-kutatás egyik megalapozója szeptember 17-én megtartott előadásában áttekintette, hogy minek köszönhető ez a technikatörténetileg páratlan fejlődés, milyen kicsik is a mai mobiltelefonok építőkövei, a tranzisztorok. Bemutatta, mennyire fontos szerepet játszik a kvantummechanika ezekben az apró áramkörökben, mert lehetőséget teremt arra, hogy kvantumos elven működő áramköri elemeket hozzunk létre. A BME Fizika Tanszékén működő Szupravezető Nanoelektronika Lendület Kutatócsoport vezetője be is mutatott néhány áramköri geometriát, amik a jövőbeli kvantumszámítógépek alapvető építőkövei lehetnek.

Csonka Szabolcs (a képre kattintva galéria nyílik!)Fotó: Szigeti Tamás / MTA

Az előadásban szó esett arról is, miért vannak gondban a mai chipgyártók, hogyan lesz egy tranzisztorból kvantumbit (qubit), és miben különbözik egy bit és egy kvantumbit. Csonka Szabolcs, akinek kutatócsoportja változatos nanoszerkezetekből fejleszt új elveken működő áramköröket kis fogyasztású szupravezető áramköröktől 2D spintronikai eszközökön át új generációs kvantumbitekig, bemutatta a hallgatóságnak azt is, hogyan lehet áramkörből mesterséges molekulát készíteni.

Az előadás teljes felvétele alább tekinthető meg:

A ma és a holnap kvantumszámítógépei

Miből érdemes kvantumszámítógépet építeni? Hány kvantumbit kell? Milyen hibák lépnek fel működés közben? Hogyan védhet meg a hibáktól a kvantumos összefonódás? Egyebek mellett ezekre a kérdésekre adott válaszokat Asbóth János, a BME Elméleti Fizika Tanszékének docense szeptember 17-i előadásában. A HUN-REN Wigner FK Kvantumoptika és Kvantuminformatika Osztály tudományos főmunkatársa a Műegyetemen a kvantumos hibajavítás elméleti kutatásával foglalkozik, és munkájával hozzájárul az „OpenSuperQPlus” EU-s projekthez, amely egy 1000 kvantumbites, szupravezető EU-s kvantumszámítógép építését célozza. Nem csoda, hogy Asbóth János úgy tartja, igazán izgalmas időket élünk: néhány éve még csak sci-fibe illő ötlet volt a kvantumszámítógép, ma már versengve építenek teljesen eltérő módon működő prototípusokat szerte a világon.

Asbóth János (a képre kattintva galéria nyílik!)Fotó: Szigeti Tamás / MTA

Az ígéret, hogy egy elég sok kvantumbiten elég pontosan számoló gép sok mindenben segíthet a kódtöréstől a gyógyszerek kémiai modellezéséig, egyelőre még távol áll attól, hogy valóra váltsák a kvantumszámítógépeket építő kutatók. A mai prototípusoknak ugyanis még túl kevés kvantumbitjük van ehhez, és főleg túl sok hibát ejtenek működésük közben. Asbóth János előadásában áttekintette, hogy jelenleg milyen hardveres ötletek megvalósításán dolgoznak a kvantumfizikusok, milyen hibákkal szembesülnek az eddig megépített kvantumszámítógépek, és hogyan tervezik (sárkány ellen sárkányfű mintájára) a kvantumhibák elleni védekezést a kvantumos összefonódás segítségével.

Az előadás teljes felvétele alább tekinthető meg:

Neumann Jánostól a kvantumos összefonódásig

Szeptember 29-én tartották meg a Kvantumok világa előadás-sorozat utolsó két előadását, a fokozott érdeklődésre tekintettel immár az Akadémia Dísztermében. Elsőként a hazai elméleti szilárdtest-fizika iskolateremtő egyénisége, a kutatási területén nemzetközi szinten is kiemelkedő eredményeket elérő, a Physical Review Letters, a Nature és a Nature Physics hasábjain rendszeresen publikáló Zaránd Gergely tekintette át az entrópia és irreverzibilitás kvantumelméleti sajátosságait. Zaránd Gergely, akinek tudományos munkásságát számos hazai és nemzetközi díjjal is elismerték, a BME fizika BSc-programjának a megújítójaként nagy figyelmet fordít a tudományos utánpótlás képzésére. 2011-ben, amikor már egyetemeken is alakulhatott MTA Lendület-kutatócsoport, az egzotikus kvantumfázisok kutatócsoport-vezetője lett. 2020 óta a Nemzeti Kvantumkommunikációs Laboratórium BME TTK-s kutatásainak vezetője, 2022-től a Kvantuminformatikai Nemzeti Kutatólaboratórium támogatásával a BME-n folyó kutatások koordinátora, meghatározó szerepe van a BME Fizikai Intézetében folyó kvantumtechnológiai kutatásokban.

Zaránd Gergely (a képre kattintva galéria nyílik!)Fotó: Szigeti Tamás / MTA

A BME egyetemi tanára előadásában abból indult ki, hogy tapasztalataink szerint a világ irreverzibilisen, visszafordíthatatlanul egy irányba fejlődik. Ezt a visszafordíthatatlanságot méri a hő fogalmához kapcsolható termodinamikai entrópia. Zaránd Gergely előadásában kifejtette, hogy Neumann János mindezt általánosítva bevezette a kvantummechanikai entrópia fogalmát, ami egyszerre képes megragadni ismereteink hiányát és számot adni a kvantumszámítások egyik legfontosabb erőforrásáról, a kvantumos összefonódásról.

Az előadás teljes felvétele alább tekinthető meg:

Kvantumkorszakok az Univerzum történetében

A jubileumi előadás-sorozat záródarabja az MTA Fizikai Tudományok Osztálya ünnepi hónapjának nyitányaként elhangzottakra – Szapudi István világhírű magyar kozmológus előadására – rímelt, mintegy bekeretezve így a fizika hónapját. A kozmológia az általunk ismert legnagyobb anyagi struktúra, az Univerzum szerkezetével és történetével foglalkozó tudomány, de mi köze lehet a legkisebb objektumok, az elemi részecskék tulajdonságaival és viselkedésével foglalkozó kvantumelmélethez? Dávid Gyula, az ELTE elméleti fizikusa szerint a kapcsolat sokkal szorosabb, mint gondolnánk.

Dávid Gyula (a képre kattintva galéria nyílik!) Fotó: Szigeti Tamás / MTA

A relativisztikus dinamikával és kozmológiával is foglalkozó kutató – aki ötven éve tanít fizikát és matematikát az ELTE-n, és aki nem mellesleg a hazai tudományos ismeretterjesztés élharcosa már negyven éve – előadásában onnan indult ki, hogy Einstein általános relativitáselmélete szerint a téridő geometriai tulajdonságait a benne mozgó anyag határozza meg. Ez az anyag jelenleg érdekes és izgalmas makroszkopikus struktúrákat alkot, ám ez nem volt (és nem lesz) mindig így: az anyag a világegyetem történetének jelentős részében szervezetlenül, kvantumos mezők és elemi részecskék formájában volt jelen, így az ezekre vonatkozó kvantumos törvények közvetlenül befolyásolták az anyag viselkedését, és ezzel az Univerzum dinamikáját. Az egymást követő kozmikus korszakokban különböző mezők és részecskék dominálták a világegyetem anyagát, sőt éppen a domináns anyag alapján képesek a tudósok megkülönböztetni ezeket a korszakokat. Bár ma még nem áll rendelkezésre az általános relativitáselméletet és a kvantumelméletet egyesítő kvantumgravitációs teória, a két elmélet jelenlegi állása alapján már részletes és koherens képet lehet alkotni az Univerzum és alkotórészeinek történetéről – az ősrobbanástól az emberi értelemig és azon is túl. Mi több, az előadás végére az is kiderült, hogy a részecskék világának egy furcsa és igazából még ma sem értett sajátossága, az igen csekély mértékű anyag-antianyag aszimmetria teszi lehetővé a makroszkopikus struktúrák (köztük a csillagok, bolygók és élőlények) puszta létezését.

Az előadás teljes felvétele alább tekinthető meg:

A 12 részes előadássorozatról készült összes felvételt az MTA YouTube-csatornáján is meg lehet tekinteni.