A kvantumfizikán alapuló eszközök már sok évtizede részei a mindennapi életünknek. A félvezetőket használó elektronika, a lézerek, a nukleáris energia, az orvoslásban az MRI, továbbá más eszközök fejlesztésének fontos része a kvantummechanika értő alkalmazása. A fizikai alapkutatás fejlődésével ma már a kvantummechanika olyan jóslatait is közvetlenül próbára tehetjük, amelyek az intuíciónknak ellentmondanak, ilyen például a távoli részecskék közötti kapcsolatot jelentő kvantumos összefonódás. Az 1930-as évek gondolatkísérleteiből a 2000-es években valódi kísérletek lettek, és az elmúlt években a fizikusok és mérnökök figyelme egyre inkább arra irányul, hogyan lehet ezeket technológiai célokra felhasználni a kommunikáció, a számításelmélet, a mérőeszközök terén. A kvantummechanika ilyen újszerű felhasználását nevezzük kvantumtechnológiának.
A konzorcium egyik fő célkitűzése volt, hogy megerősítse a hazai kísérletes kutatásokat egyes kvantumtechnológiák fejlesztésében. Ennek megfelelően számos laboratóriumot hoztunk létre, amelyekben a környezeti hatásoktól elszigetelt, kvantumos objektumok: atomok, fotonok, elektronok, magspinek viselkedését lehet kontrolláltan irányítani a kvantummechanika törvényeinek megfelelően. A kvantuminformáció alapegységének, a kvantumbitnek a tárolására és küldésére, kvantumosan összefonódott fotonpárok keltésére, valamint a kvantummechanika elvei által garantált biztonságos kommunikációra alkalmas eszközöket fejlesztünk.
A másik fő célkitűzés a kvantumtechnológiákban érdekelt ipari partnerek és az egyetemi, kutatóintézeti kutatók együttműködésének beindítása volt, például az informatikai és kommunikációs alkalmazások vizsgálatában. A kvantumtechnológiákhoz a legmagasabb szintű háttériparra van szükség, amelyet az alacsony zajú elektronikus jelfeldolgozásban, a távközlésben, illetve az optikai mikroszkópiában világszinten kiemelkedő high-tech cégek biztosítanak a konzorciumon belül. Ezeknek a célkitűzéseknek a megvalósítását illusztrálják az ebben az összeállításban bemutatott fejlesztések.
Atom-foton interfész kvantuminformatikai műveletek elvégzéséhez
A Wigner Fizikai Kutatóközpont (Wigner FK) Kvantumoptika Lendület kutatócsoportjában, Domokos Péter vezetésével, megépítettek egy atom-foton interfészt, ahol lézerrel hűtött és csapdázott rubídium (Rb) atomok és egy optikai rezonátorba zárt elektromágneses mező fotonjai között kvantumos szinten kontrollált kölcsönhatást valósítanak meg. A rendszer különböző kvantuminformációs alkalmazások alapjául szolgálhat, a projektben a kvantummemóriára és a mikrohullám-optikai frekvenciakonverzióra fókuszálnak.
Az atomokat és fotonokat a környezeti hatásoktól maximálisan el kell szigetelni, ezért a kísérleteket ultranagy vákuumban (10–14 bar nyomás) végzik. A vákuumkamrán belül egy diszpenzerből párologtatnak Rb atomokat, melyeket a kamrán kívülről vezérelt elektromágnessel „csapdáznak”, azaz lebegtetik őket, miközben mozgásukat lézerrel (pl. Doppler-hűtéssel) csillapítják. Így egy mágneses-optikai csapdában mintegy 100 μK (mikrokelvin) hőmérsékletű Rb-gázfelhő áll elő. Az atomok vegyértékelektronjainak kvantumállapotait mágneses mezőkkel (Zeeman-hatás) hangolják, és finomhangolt, frekvenciastabilizált lézerekkel átmeneteket hoznak létre köztük. A rendszer másik komponensét adó fotonokat a vákuumkamrába épített optikai rezonátorba csapdázzák: két, egymással szembefordított, nagy reflexiójú tükör közötti elektromágneses állóhullámú módusban. A fotonok hosszú csapdázásához a rezonátor tükreinek távolságát aktív elektronikus visszacsatolással, ún. Pound–Drever–Hall-módszerrel rögzítik, amelyet a gravitációs hullámot detektáló LIGO interferométerben is használnak.
Kísérleteikben a vákuumkamrában a mágnesesen lebegtetett atomfelhőt az optikai rezonátorba mozgatják a csapdázó tekercsek áramának vezérlésével. Itt az atomok kontrollált kölcsönhatásba lépnek a rezonátor fotonjaival, melyek számát pumpáló lézerekkel hangolják. Minden kísérleti ciklusban több tucat manipulációs lépést kell végrehajtani mikroszekundumos pontosságú időzítéssel, ezért egy programozható, nagyfrekvenciás folyamatvezérlőn keresztül végzik a kísérleteket. Jelenleg az atomok sugárzásának fotonstatisztikáját vizsgálják. A következő lépésben a Bonn Hungary Electronics (BHE) partnerrel közös céljuk egy „hibrid mixer” kifejlesztése, amelyben alacsony intenzitású (egykét fotonos) fényt és gyenge mikrohullámú jeleket kevernek össze a rezonátorban csapdázott atomfelhő segítségével.
Optikailag detektált mágneses rezonancia laboratórium
A Wigner FK Félvezető Nanoszerkezetek Lendület kutatócsoportjában, Gali Ádám vezetésével, egy optikailag detektált mágneses rezonancia (ODMR) mérésére alkalmas berendezést építettek kvantummetrológiai és kvantumkommunikációs alkalmazásokhoz. A berendezéssel a környezetétől jól elszigetelt „mesterséges atomnak”, egy kis méretű (nano-)kristályban létrehozott ponthiba (színcentrum) energiaszerkezetének apró változásait tudják pontosan mérni. Kétféle mesterséges atomot használnak: nanogyémántok nitrogén-vakancia (NV) centrumait és szilícium-karbid minták divakancia-centrumait. Az utóbbit ők maguk állítják elő, a minták gyártására és a divakancia-centrumok létrehozására is több eljárást kidolgoztak.
Az ODMR-rel mért mesterséges atomok segítségével mágneses és elektromos tereket, illetve nyomást, hőmérsékletet lehet pontosan mérni. A mesterséges atomok energiaszerkezetének érzékenységén kívül fontos a centrumot hordozó kristályok kis mérete, ami a mérések nagy térbeli felbontóképességét adja. Ráadásul, mivel mind a gyémánt, mind a szilícium-karbid bioinert anyagok, a módszer biológiai rendszerek (pl. idegsejtek) működésének in situ vizsgálatára is alkalmas – ezt a Femtonics Kft.-vel együttműködve, ODMR-t használó mikroszkóp fejlesztésével kamatoztatják. Az egyedi ODMR-színcentrumok kvantumbiteket valósíthatnak meg, amelyek elektron- vagy magspinje tárolja a kvantuminformációt, a kvantumbitek között pedig fotonok szállítják a kvantuminformációt. Az egyedi színcentrumok megtalálásához kifejlesztettek egy konfokális mikroszkóp elven működő diffrakciólimitált képalkotási rendszert. A kísérleti berendezés időfelbontott mérésekre is alkalmas, így egymást követő, nanoszekundumos pontosságú lézer- és mikrohullámú impulzusok segítségével kvantumbit műveleteket tudnak végrehajtani. A mesterséges atomok egyik alkalmazása a determinisztikus egyfoton-forrás, amelynek tesztelésére Hanbury Brown és Twiss interferométert építettek.
Kvantumtechnológia sokoldalúbb, pontosabb mikroszkóphoz
A Femtonics Kft. kvantumtechnológiai fejlesztéseinek célja az, hogy biológiai mintákban a mágneses jelek mélységi érzékelése hatékonyabb legyen, azaz mélyebb szöveteket is szövetkárosodás nélkül lehessen vizsgálni. A Wigner FK-val közösen fejlesztett konfokális mikroszkóppal kombinált optikai rendszer mutatja az ODMR-jelenséget, másrészt a felbontása lehetővé teszi nanokristályokban lévő egyedi ponthibák (színcentrumok) spinállapottól függő fluoreszcenciájának megfigyelését és a ponthiba spinállapotának manipulációját. Az új technológia egy új, mágneses tér/áram érzékeny festék kifejlesztésére is lehetőséget biztosít.
A projekt keretében megvizsgálják a festéknek használt nitrogén-vakanciával rendelkező nanokristályos gyémánt fluoreszcencia változását mágneses térben mikrohullámú jelek hatására, valamint méréseket végeznek arra vonatkozóan, hogy milyen hatása van a mágneses térnek a konfokális mikroszkóp jelszintjére.
Készítettek egy programmodult az ODMR-spektrum felvételére és a mérések feldolgozására. Az in vitro mérésekhez már sikerült NV nanogyémántokat bejuttatni idegsejtekbe, majd azokat fixálták a biológiai mérésekhez.
A Femtonics a legkorszerűbb biológiai kutatásokra alkalmas kétfoton lézerpásztázó mikroszkópok fejlesztésével foglalkozik.
A mikroszkópokkal az idegsejtek működése vizsgálható élő állatban, azaz választ kapunk, mi történik az agyban érzékelés, mozgás, navigáció, tanulás során. A mérnökökből és kutatókból álló fejlesztőgárda több mint húsz világrekordot tudhat magáénak, és 44 szabadalommal rendelkezik. A kifejlesztett technológiának köszönhetően számos publikáció született a legmagasabb színvonalú, nemzetközileg elismert tudományos folyóiratokban.
A 2005-ben alapított, magyar tulajdonú Femtonics mára 45 országban értékesít mikroszkópokat, és több mint 120 rendszert telepített világszerte.
Új kvantumbit-koncepciók
Az új elektronikai koncepciók talán legegzotikusabb iránya a kvantummechanikai elven működő számítások területe, ahol a kétértékű bitek helyett a szuperpozícióba hozható kvantumbitek segítségével végeznek műveleteket. A terület nagy kihívása, hogy a jelenlegi kvantumbitek nagyon gyorsan elveszítik az információt, miközben számításokat végeznek velük. A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Fizikai Intézetében folyó kísérleti és elméleti kutatások egyik célja ennek a kihívásnak megfelelő újszerű kvantumbit architektúrák létrehozása, manipulálása, illetve elméleti modellezése.
A Csonka Szabolcs vezette BME Kvantumelektronika Kutatócsoport például – hazánkban egyedülálló módon – nanoáramkörök készítésére és extrém alacsony hőmérsékleten történő vizsgálatára fókuszál. Célja új funkciókkal bíró nanoeszközök kifejlesztése, amelyek a jövő elektronikájának alapját jelenthetik, kisebb méretükkel járó nagyobb integrálhatóságukkal és gyorsabb működésükkel, kisebb fogyasztásukkal, vagy radikálisan új elvek szerinti működésükkel. A kutatócsoport célja olyan új kvantumbit-koncepciók kifejlesztése, amelyekkel megelőzhető a kvantuminformáció „felejtése”.
Ehhez új szerkezetű nanoáramköröket készítenek szupravezetők, mesterségesen létrehozott atomok vagy éppen egzotikus új anyagok – mint például az egyrétegű grafit – felhasználásával. Az egyik, a HunQuTech projekt keretében fejlesztett ilyen kvantumbit-koncepció az ún. Yu-Shiba-Rusinov-állapotokon (YSR) alapszik – különleges elektronikus gerjesztéseken, amelyek szupravezetőre helyezett mágneses szennyezőatomok körül alakulnak ki. A YSR-állapotokat láncszerűen egymáshoz csatolva, robusztus kvantuminformáció-tároló egység hozható létre. Ehhez a csoport a mágneses szennyezőatomokat mesterséges atomokkal, azaz 50–60 nanométer (nm) vastag és pár mikrométer hosszú InAs nanopálcákban külső fém kapuelektródákkal létrehozott, mintegy 50 nm × 50 nm × 50 nm-es potenciálcsapdákkal helyettesítette. Az így létrehozott újszerű YSR-állapotok akár 50–200 nm nagyságúak, tehát jóval nagyobbak, mint a néhány nanométeres hagyományos YSR-állapotok.
Mivel ezek a mesterséges atomok a ma használt mikrotechnológiai eljárásokkal gyárthatók, ezek a kutatások megnyitják az utat a mesterséges YSR-láncok felé, amelyek a kvantuminformáció tárolásának új hardveres elemeivé léphetnek elő.
A HunQuTech program támogatásának köszönhetően új laboratóriumi egység került kialakításra, több fiatal, sikeres szakembert sikerült hazacsábítani az EU vezető laborjaiból, új anyagcsaládok vizsgálatával és korábban itthon nem alkalmazott kísérleti technikákkal bővítve így a Kvantumelektronika Csoport tevékenységét – rangos európai uniós hálózatokhoz is csatlakozva. Az áramkörök precíziós gyártásához az Energiatudományi Kutatóközpont Nanoérzékelők Laboratóriuma biztosítja a szükséges tisztateret, a mérőrendszerek fejlesztésében pedig a Bonn Hungary Electronics támogatása nyújt segítséget.
Összefonódott elektronpárok létrehozásának modellezése
Az Eötvös Loránd Tudományegyetemen a HunQuTech projekt keretében numerikus modellezési módszerekkel kutatják, hogy hogyan lehet kvantumosan összefonódott elektronpárokat kinyerni egy szupravezetőből. Szupravezetőkben az elektronok egy része ún. Cooper-párokat képez. Egy pár felhasításával, azaz a párt alkotó elektronok térben szétválasztásával két, kvantumosan összefonódott elektron kapható, ami a kvantuminformatikai eszközök alapvető alkotóeleme. A Cooper-pár felhasításához két szupravezető tartomány közötti, atomi vékonyságú anyagok szendvicsszerű rétegzésével kialakított nanorendszert terveznek: két párhuzamos, jól vezető és jól kontaktálható grafénréteg, melyeket szigetelőrétegek választanak el egymástól. A cél az, hogy a rendszer fizikai paramétereinek hangolásával a felhasított Cooper-párok egyik elektronja a felső, a másik pedig az alsó grafénrétegbe kerüljön, miközben fennmarad az összefonódásuk. Az összefonódott elektronokat a grafénrétegekhez csatolt kontaktusokon keresztül lehet kicsatornázni az eszközből. A Cooper-párok felhasításának hatékonyságát a kontaktusokon megjelenő ún. nemlokális elektromos jel modellezésével vizsgálják: meghatározzák, hogy az egyik kontaktusra kapcsolt feszültség változása milyen változást okoz a többi kontaktuson folyó áramban. A számításokat a kutatócsoport által fejlesztett Eötvös Quantum Utilities Software package (http:// eqt.elte.hu/EQuUs/html) keretrendszerrel végzik, amely lehetővé teszi normál-szupravezető rendszerek hatékony modellezését.
Nanoáramkörök készítése
A megtervezett nanoáramköröket a résztvevők az Energiatudományi Kutatóközpont Nanoérzékelők Laboratóriuma (nems.hu) által működtetett tisztatéri infrastruktúrával valósítják meg.
A soklépéses technológiai sor kulcsfontosságú eszköze az a Raith 150 típusú elektronsugaras litográfiai berendezés, amellyel egészen parányi (~20–30 nm) mintázatok alakíthatók ki. Ezt egészíti ki számos rétegleválasztási technika, melyekkel különböző szupravezető vagy nem-szupravezető fémes kontaktus, valamint a kapuelektródák és a vezetési csatornák közötti szigetelő (gate oxide) hozható létre. Ezeket a vákuumtechnológiai lépéseket fizikai vagy kémiai rétegleválasztási módszerekkel végzik el. A rétegek szelektív marása is történhet fizikai vagy kémiai úton. Előbbire példa a plazmamarás, míg utóbbira a reaktív ionmarás. Az elkészült chipeket a résztvevők a BME és a Wigner FK laborjaiban extrém fizikai körülmények között tesztelik.
Fotonpárforrások fejlesztése
A BME TTK Fizikai Intézetének Atomfizika Tanszékén létrehoztak egy kvantumoptikai laboratóriumot, ahol összefonódott fotonpárokat adó forrásokat építenek és tesztelnek. Munkájuk célja, hogy olyan hordozható, robusztus fotonpárforrásokat fejlesszenek, amelyek szabadtéri és száloptikás távközlő, valamint kulcsmegosztó rendszerekben hatékonyan használhatók, és az alkalmazások számára elegendő fotonfluxust állítanak elő.
A fotonpárok előállításához lézerrel megvilágítanak (pumpálnak) egy nemlineáris kristályt, melyben a pumpáló forrás egy fotonjából két kisebb energiájú foton keletkezik. A teszteléshez pedig igen érzékeny egyfoton lavina diódákat használnak, melyek meg tudják számolni az egymás után érkező fotonokat.
Elkészítették a fotonpárforrás hordozható változatát, amelyben a 810 nm-es hullámhosszúságú fotonpárok tagjait különkülön egy-egy optikai szálba csatolják. Optimális beállításokkal másodpercenként csaknem ötmillió, időben és energiában összefonódott fotonpár hagyja el a berendezést. A forrás lehetőséget teremt a BME Villamosmérnöki Karán és a BME Fizikai Intézetében közösen fejlesztett szabadtéri kommunikációs csatorna és a fotonpárokat detektáló elektronika tesztelésére.
További céljuk a projekt keretében, hogy ezt a forrást továbbfejlesztik polarizációban összefonódott fotonpár keltésére, ami lehetővé teszi a kvantumos titkosító kulcsmegosztás megvalósítását.
Hosszabb távú céljuk pedig a fotonpárkeltés a száloptikás távközlő rendszerek hullámhossztartományában, valamint a fotonpárforrások integrációja és kulcsparamétereinek továbbfejlesztése.
Biztonságos kommunikáció kvantumfizikai alapokon
A BME Villamosmérnöki és Informatikai Karán a kvantumfizika törvényeire alapozva olyan megoldásokat alakítanak ki, amelyek hozzájárulnak a napjainkban használt kommunikációs rendszerek biztonsági szintjének növeléséhez, méghozzá két területen: kvantumos alapú véletlenszámok előállításában, valamint kvantumos alapú kulcsszétosztásban.
Magyarországon elsőként építettek kvantumos alapú véletlenszám-generátort, két különböző, optikai elven működő architektúrát is megvalósítva. Az első a véletlen számok előállításához a spontán emisszió során kibocsátott fotonok tulajdonságait használja fel, a második pedig az egymás után beérkező fotonok észlelése közötti időt. Az ilyen fizikai jelenségeken alapuló, ún. igazi véletlenszám-generátorok az álvéletlen (pszeudorandom) számokat generáló algoritmusoknál nagyobb biztonságot adnak például adatok titkosításánál, dokumentumok digitális aláírásánál vagy üzenetek rejtjelezésénél.
A másik pillér, amire fókuszálnak, a biztonságos kommunikáció. Az adatok titkosításához szükség van rejtjelező kulcsokra.
A fő kérdés az, hogy hogyan jut el a kulcs a kommunikáló felekhez. A kvantumkriptográfia olyan protokollokat kínál a kulcsszétosztásra, amelyekben a kulcs lehallgatását elvi alapon ki lehet zárni. A Műegyetemen megépítettek egy ún. második generációs, vezetékes kvantumkulcsszétosztó berendezést, valamint kialakítottak egy összefonódáson alapuló, vezeték nélküli kulcsmegosztó környezetet. Ezek a kvantumkommunikációs berendezések szobahőmérsékleten működnek, és ugyan most még optikai asztalon találhatók, ám hamarosan rackszekrénybe szerelik majd őket, így könnyedén illeszthetők lesznek napjaink optikai szálas rendszereihez.
A BME Villamosmérnöki és Informatikai Kara által vezetett fejlesztésben a Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék, továbbá a Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék kutatói mellett a BME TTK és a Wigner FK munkatársai, valamint a BME hallgatói vettek részt. Az elért eredményekből – szakdolgozatok és diplomamunkák mellett – díjazott TDK-dolgozatok is készültek.
Kvantumos alapú titkosító kulcsszétosztás első hazai demonstrációja
Az Ericsson Hungary Kft. a BME Villamosmérnöki és Informatikai Karral együttműködve egy első generációs vezetékes kvantumos kulcsszétosztó rendszert épített.
A rendszer a BB84 protokoll fáziskódolt változatát valósítja meg, ahol a kvantumos információ egyfotonos teljesítményszintre gyengített fényimpulzusokba van kódolva. Sikeresen demonstrálták a berendezés fizikai rétegének működését, mérésekkel jellemezték az egyedi szoftveres és hardveres megoldások átviteli tulajdonságait. Hagyományos távközlési optikai szálat használtak (1550 nm-es hullámhosszon), így a berendezés illeszthető a jelenlegi távközlési rendszerekbe.
A rendszert bemutatták az ITU Telecom World 2019 konferencián, illetve az eredményeket tartalmazó hallgatói dolgozat első helyezést ért el a kari Tudományos Diákköri Konferencián.
Összefonódott állapotok létrehozása konszenzusos algoritmusok hatékonyságnöveléséhez
A Nokia Bell Labs AI laboratóriumának budapesti csoportjában, Finta István vezetésével, kvantumos alapú konszenzusos algoritmusokat vizsgálnak. Ezek egy elosztott számítógépes rendszer hibatűrő, konzisztens működéséhez szükségesek: döntési helyzetekben az autonóm folyamatoknak egyezségre kell jutniuk akkor is, amikor egyes folyamatok hibásan működnek. Bár megoldások léteznek a legáltalánosabb hibák fellépése mellett is, ezeknek kommunikációs költsége nagy: az ún. bizánci protokoll sikert ad, ha a hibás tagok száma nem haladja meg a csoport összes tagjának a harmadát, de a hozzá szükséges üzenetek száma a csoportok számának faktoriálisával arányos. Ezért a gyakorlatban általános megoldások helyett különféle heurisztikákkal becsülik a várható hibák jellegét, és behatárolt hibaosztályokra dolgoznak ki hibakezelő eljárásokat.
A kvantumos alapú konszenzusos algoritmusok (Quantum Byzantine Agreement; QBA) általánosan hibatűrő döntéshozásra adnak lehetőséget az erőforrások kedvező skálázása mellett.
A klasszikus algoritmusokkal szemben a szükséges üzenetkörök száma itt független a tagok számától. A QBA-khoz a tagok között megosztott összefonódott állapotokra van szükség, például qutritek ún. Aharonov-állapotára vagy ún. páros singlet-state-re.
Munkájukban a kvantumos elosztott kommunikációs feladatokhoz szükséges összefonódott állapotokat előállító kvantumlogikai áramköröket optimalizáltak. Az eddig javasolt kvantumlogikai áramkörök túl sok logikai kaput használnak. Például az egyik vizsgált esetben 14 darab C-NOT kapu szükséges páros szinglet állapotokkal, ezért ezeket nem lehet elég pontosan futtatni mai, még elég zajos kvantumszámítógépeken. A Nokia Bell kutatói kifejlesztettek egy numerikus eljárást, amellyel sikerült a jelenleg ismert legjobb eredményekhez képest mintegy háromszoros javulást elérniük. A fent említett feladatra például egy mindössze 5 darab C-NOT kaput használó logikai áramkört terveztek.
Mikrohullámú technika
A Bonn Hungary Electronics Kft. egy 1991-ben alapított, 100 százalékban magyar tulajdonú vállalkozás, amely rádiófrekvenciás és mikrohullámú rendszereket, megoldásokat fejleszt és gyárt.
Több mint 120 főt foglalkoztat, árbevételének közel 80 százaléka exportból származik, megoldásait négy kontinensen, több mint 30 országban használják. Főbb piaci szegmensei a vezeték nélküli távközlés, védelmi ipar, űripar és minden olyan rádiófrekvenciás (RF) és mikrohullámú terület, ahol speciális felhasználói igények merülnek fel. A vállalat a fejlesztéseken kívül alapkutatással is foglalkozik, melynek fontos eleme az egyetemekkel és akadémiai intézetekkel való évtizedes együttműködés. Ennek kapcsán vesz részt a HunQuTech konzorciumban, amelynek keretében kommunikációval kapcsolatos és egyéb szakmai tanácsadással, valamint speciális áramkörök fejlesztésével támogatja a projekt sikeres munkáját.
A Bonn Hungary Electronics technológiája révén komplex civil biztonságot növelő adatátviteli megoldásokat nyújt, melyek a drónok elhárításától kezdve a modern távközlés számos területét – akár még a műholdas kommunikációt is – magukban foglalják.
Forrás: Innotéka