Magyar kutatók az elmúlt hónapokban több tízezer mérést végeztek el egy különleges kvantumchippel, hogy fotonok kvantumállapotát rekonstruálják. Kísérleteik a kvantumképalkotás fejlődéséhez járulnak hozzá, ami a jövőben elvezethet az élő szervezetek működésébe bepillantást engedő kvantummikroszkópok, exobolygókat megörökítő kvantumteleszkópok és lopakodókat észlelő kvantumradarok megalkotásához.

Fotonikus kvantumchipjük három évvel ezelőtti beszerzésével egy világszínvonalhoz közeli kvantuminformatikai eszközre szerettek volna szert tenni, mondta a Qubitnek Vattay Gábor egyetemi tanár, az ELTE TTK Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék vezetője, a Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium kutatója. A magyar tudományfinanszírozási keretek között még megfizethető kvantumchip teljes értékű kihasználása idén vált lehetővé, miután a szakemberek a chip köré kiépítették a kvantumos mérésekhez szükséges, szofisztikált infrastruktúrát.

Vattay professzorral június közepén, a Bosch Budapest Innovációs Kampuszon tartott Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium Workshopon, és az ELTE Lágymányosi Campuson található laborjában beszélgettünk a kvantumtechnológiákban rejlő lehetőségekről, a kvantumchipjükkel folytatható kísérletekről, és arról, hogy milyen meglepő fordulatok vezették arra, hogy a kvantumszámítástechnikával kezdjen el foglalkozni.

Világhírű biológussal kísérletezett volna egy forradalmian új kvantumszámítógépen, de az NSA nem engedte neki

A kutató 1989-ben végzett az ELTE-n fizikusként. Ekkoriban a személyi számítógépek elérhetővé válásával egyre többen kezdtek el nemlineáris differenciálegyenleteket tanulmányozni – ezek adják például az időjárás-előrejelzéshez használt numerikus modellek alapját is. És meglepődtek azon, hogy ezek a nemlineáris differenciálegyenletek mennyire érzékenyek a kezdeti feltételekre, amik a valóságban pontosan sohasem ismerhetők meg. Ezt fogja meg a közismert pillangóhatás jelenség is, ami szerint a kezdeti feltételek apróbb eltérései is nagy különbségekhez vezethetnek a rendszer állapotának későbbi alakulásában.

Ez akkor is igaz, ha nem egy olyan komplex rendszert modellezünk, mint a Föld légköre, hanem csak egy kettős ingát. Ha a mechanikus rendszert egy klasszikus, nemlineáris Newton egyenlettel írjuk le, akkor a mozgás jövőbeli alakulásának előrejelzése gyorsan megbízhatatlanná válik. Ha viszont kvantummechanikailag, akkor a rendszer állapotának alakulása a lineáris Schrödinger-egyenletet követi. És ez felvetette a kérdést, hogy a kvantumvilág és a klasszikus káosz miként illeszthető össze, így sok szakember, köztük ő is elkezdett az ezt vizsgáló kvantumkáosz területével foglalkozni.

Az 1990-es években vendégkutatóként ezen dolgozott a koppenhágai Niels Bohr Intézetben, a franciaországi Orsay-ben található Magfizikai Kutató Központban, valamint a németországi Marburgi Egyetemen. Ezután visszatért Magyarországra, és 2000-től az ELTE és az Ericsson Research által létrehozott ELTE TTK Kommunikációs Hálózatok Laboratóriumának vezetőjeként alkalmazott kutatásba kezdett, ami a telekommunikációs hálózatokban és az internet dinamikájában jelentkező kaotikus viselkedést tanulmányozta.

Az elméleti fizikus szövevényes fordulatokon keresztül került kapcsolatba a kvantumszámítástechnikával. 2010-ben megismerkedett a Budapestre látogató Stuart Kauffman világhírű amerikai elméleti biológussal, aki felhívta figyelmét az akkortájt biológiai rendszerekben megfigyelt kvantumjelenségekre. Vattay és Kauffman budapesti beszélgetése megalapozta kettejük tudományos együttműködését, és a magyar kutató 2011-2012 közötti alkotói szabadságát az amerikai Vermont Egyetem vendégprofesszoraként töltötte, ahol akkor Kauffman is dolgozott.

Eredetileg a Kauffmannal folytatott kollaboráció keretében a kanadai-amerikai D-Wave Systems akkor forradalmian új D-Wave One kvantumszámítógépén kísérleteztek volna, amit 2011-ben vásárolt meg az amerikai Lockheed Martin repülőgépipari és hadiipari vállalat. Csakhogy néhány hónap után világossá vált, hogy a hírszerzésért és a kormányzati és katonai kommunikáció titkosításáért felelős amerikai Nemzetbiztonsági Ügynökség (NSA) a technológiát annyira szenzitívnek tartja, hogy neki külföldi állampolgárként nem engedélyezik a rajta történő kísérletezést. Mint mondja, ekkor értette meg igazán a kvantumszámítógépek jelentőségét, és innentől kezdett el a területtel intenzíven foglalkozni.

Ezt ugyanakkor megnehezítette, hogy amikor 2012-ben hazatért az Egyesült Államokból, Európában még csak gyerekcipőben járt a kvantuminformatika, és évekig nem is történt előrelépés. Nem arról volt szó, hogy a kontinensen nem volt meg az ehhez szükséges tudás: a D-Wave Systems, meséli, eredetileg egy európai uniós projektből nőtt ki, amiben egy kanadai egyetem és német egyetemek vettek részt. Ennek keretében a kutatók egy két qubites chipet hoztak létre. Csakhogy amíg a kanadaiak elkezdték továbbfejlesztenii a technológiát, befektetőket találtak, addig a németek a későbbiekben is megmaradtak a fizikai alapkutatásoknál, és eredményeiket nem hasznosították. Így tulajdonképpen az EU finanszírozta meg a későbbi kanadai-amerikai cég fejlesztéseit.

A fordulópontot az európai kvantumkutatásokban a 2016-os holland EU-s elnökség hozta el, amiből aztán 2018-ra kinőtt a Quantum Technologies Flagship nevű kutatásfejlesztési kezdeményezés. Ez 1 milliárd eurós büdzsével 10 éves támogatást kínált több száz kvantumkutatónak a kvantumszámítástechnika, a kvantumszimulációk, a kvantumkommunikáció és a kvantumszenzorok területén. A terület felpörgését jelezte az európai egyetemek és a nagy techcégek közötti együttműködések elmélyülése – 2017-ben például a Microsoft kvantumszámítógép-fejlesztést célzó közös projektet indított a hollandiai Delfti Műszaki Egyetem (TU Delft) QuTech kvantumintézetével. A Microsofthoz hasonló tőkeerős amerikai techcégek hosszú távon, 10-20 éves skálán is tudnak gondolkodni, így meg tudják várni, amíg beérik a technológia.

Magyarországon a kvantumterületen érdekelt kutatók, köztük Domokos Péter fizikus is ekkortájt tudták meggyőzni az akkor még Pálinkás József által vezetett Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatalt (NKFIH), hogy fordítsanak nagyobb figyelmet a kvantuminformatikára, aminek eredményeként a Wigner Fizikai Kutatóközpont, az Eötvös Loránd Tudományegyetem és a Budapesti Műszaki Egyetem együttműködésével 2017-ben el is indult egy ilyen kutatási projekt. Ebből nőtt ki aztán a három intézmény kollaborációjával 2020-ban létrejött Kvantuminformatikai Nemzeti Laboratórium is.

Kvantumállapotokat tapogatnak le csúcstechnológiás eszközökkel

Vattay csoportja a holland Quix Quantum cégtől 2021-ben rendelt fotonikus kvantumchipet, ami nyolc bemeneti és nyolc kimeneti csatornával rendelkezik. A chip 2022 tavaszán érkezett az ELTE-re, de kezdetben csak klasszikus, lézerfény és diódák segítségével folytatott kísérletekre tudták használni. Aztán tavaly novemberben sikerült beszerezni a kvantumos mérésekhez szükséges drága berendezéseket is. A rendszer összeállítása és beüzemelése után, amiben a Wigner szakemberei segítették, idén tavasszal intenzív kísérleti időszak következett, aminek során a kutatók több tízezer mérést folytattak le a chipen.