TÉR hírek 14. : 1. Hol tart a kvantuminformatika? 2.Mit jelent a Trump 2.0 a tudomány számára?

Egy kvatumkriptográfiával (kvantumtitkosítási) kapcsolatos kísérleti berendezés. (Kép forrása)

2003-ben a genfi ID Quantique cég volt az első, amelyik a kvantummechanikai elvekkel működő informatikai titkosítási rendszert dolgozott ki, és azokat már kereskedelmi forgalomba is hozta. A cég rendszerét 2007-es genfi tartományi választáson is sikeresen használták. A kvantuminformatika tudomány első sikeres alkalmazásai közé ezek a titkosítási eljárások tartoznak.

1. Mi az a kvantuminformatika?

Az teljesen kézenfekvő, hogy a jövő iparágai közé számítódik már a  kvantuminformatika (Erre a Trump 2.0-val kapcsolatban még visszatérünk.)  Mit is takar ez?
Kicsit filozofikusan - vagy inkább bulvárosan -  indítunk. A Bibliában  olvassuk a hegyi beszédnél:  "Ellenben a ti beszédetekben az igen legyen igen, a nem pedig nem, ami pedig túlmegy ezen, az a gonosztól van.” (Mt. 5.37)  Arisztotelész logikájában is egy kijelentés igazságtartalma vagy igaz, vagy hamis, más lehetőség nincs. Az informatikában is van 0, vagy 1, mint a bit alapegysége, más nincs. Hétköznapi logikánk alapját ismertettük. 

A kvantumfizika azonban más.  Először is a kvantumtechnológia ott kezdődik, amikor egyes, egyedi atomokat vagy azok legfeljebb nanométeres nagyságrendjébe eső "csomagját" (quantum dots , QD-k. magyarul tán kvantumpontoknak fordíthatnánk) mozgatjuk. Ezeknek a QD-nak a viselkedése pedig a kvantumtörvényeket követi, amelyből a határozatlansági reláció és a valószínűségi leírás a legismertebb.  Az atomokkal való kölcsönhatásokat fotonokkal, a fény részecskéjével valósítjuk meg. Ez technológiailag lézereket jelent, a kvantuminformatikában tehát főként  lézerekkel "kommunikálunk" az atomokkal, atomcsoportokkal.  Ennek persze óriási előnye, hogy innen kezdve minden fénysebességgel történik. De hogy jön ide a hegyi beszéd? Hát úgy, hogy a  kvantumállapotok "kevertek" is lehetnek. A "0" és az "1" állapotainak, - kicsit teátrálisabban fogalmazva -,  az igennek és a nemnek  tetszőleges szuperpoziciója létrejöhet a kvantumfizikában, egy kvantumbit (qubit) tehát sokkal több információt tartalmazhat mint az informatikai bit. Technikailag leginkább szupravezető mikoráramkörök ún. Cooper-párt alkotó elektronpárjainak energianívóival, vagy foton polarizációs síkjainak beállításával  lehet ezeket a kvantumállapotokat  elérni. Persze a külső körülmények nem zavarhatnak, ezért alapkövetelmény a tökéletes vákuum és a hőmozgás megszüntetése, azaz a 0 K-hez igen közeli hőmérséklet (nemcsak a szupravezetősnél), ami önmagában is komoly technikai kihívás.

Ha úgy tetszik, akkor a kvantumtudománnyal kapcsolatban a - hegyi beszédre visszautalva- akár azt is mondhatjuk, hogy a "gonosztól van", hiszen a kvantumlogika más mint a mi hétköznapi logikánk. Így a hétköznapi megértéssel is már gondjaink vannak. Álljon itt két nagy klasszikusnak az idézete a helyzet reménytelenségét illusztrálva: Nils Bohr (1885-1962): „Azok, akiket nem sokkol, amikor először találkoznak a kvantummechanikával, valószínűleg nem értették meg.” Richard Feymann (1918-1988):  „Azt hiszem, biztonsággal kijelenthetjük, hogy senki sem érti a kvantummechanikát.” Nem kell tehát  a "kimaradt láncszemeken" csodálkoznunk, amikor a témakör egyik legkiválóbb hazai szakértőjének általam is ajánlott előadásában Domokos Péter akadémikus a demokritoszi atomfogalomtól 3 perc alatt eljut odáig, hogy az atom nem más, mint egy véges dimenziójú Hilbert-tér.  A kvantummechanikához tehát csak a matematikán keresztül vezet út, és mivel királyi utak itt nincsenek, kevesen tudják ezt végigjárni. 

A lényeg az számunkra laikusoknak,  hogy a kvantuminformatika működik. Nem csak az indító képen ismertetett titkosításoknál, hanem például az atomóráknál is. Az amerikai Mérés- és Szabványügyi Hivatal szuperpontos atomórája ma már az univerzum korának megfelelő időtávlatban sem fog 1 másodpercnél többet sietni vagy késni. Ehhez az órához szinkronizálják a Földünkön az időmérést. 

A  kvantuminformatika  középpontjába az utóbbi években a kvantumszámítógépek építésé került. 2019-ben a Google Sycamore kvantumszámítógépe 200 másodperc alatt hajtott végre egy olyan feladatot, amelyet 10 000 év alatt végez el egy korszerű szuperszámítógép. Nem sokkal ezután, 2020 decemberében a Kínai Tudományos és Technológiai Egyetemen Jiuzhang névre keresztelt kvantumszámítógépe sikeresen hajtott végre 200 másodperc alatt egy olyan műveletet, amit hagyományos  számítógépeken 2,5 milliárd évbe telne. Ráadásul a kínaiak nem szupravezetőt használtak, hanem fotont.  Itt egyben szemléletes választ is kapunk arra, hogy miért érzik az amerikaiak azt, hogy Kínával versengeni kell.   A Google a tavalyi év legvégén visszavágott, olyam gyors kvantumchipet fejlesztett, amivel 200 másodperc alatt 10³⁶ évnyi hagyományos üzemídőt múlt felül egy speciális feladatnál. (Ez sokkal több, mint az univerzum kora.) A fejlődés tehát exponenciális, a teljesítmények pedig hétköznapi aggyal felfoghatatlanok, a perspektívák beláthatatlanok. 

Szorgos munkával összeszedtem főként a megfelelő wikipedia szócikk alapján, hogy is áll jelenleg a kvantuminformatika ipara, azaz mely cégek képesek jelenleg kvantumprocesszort gyártani: 

 

cég neve	ország	kifejlesztett q processzorok száma	q processzor technikai megvalósítása	megjelenés éve
Atom Computing	USA	2	optikai csapdában lévő atom	2021
Google	USA	3	szupravezető	2017
IBM	USA	38	szupravezető	2016
Intel	USA	3	szupravezető, elektron spinje	2017
IonQ	USA	2	csapdába ejtett ion	2022
Rigetti	USA	12	szupravezető	2018
Xanadu	Kanada	4	foton	2020
Alpine Quantum Technologies	Ausztria	1	csapdába ejtett ion	2021
SaxonQ	Német	1	rácshibás gyémánt	2024
IQM	Finn-Német	1	szupravezető	2023
M Squared Lasers	Nagy-Británia	1	optikai csapdában lévő atom	2022
Oxford Quantum Circuits	Nagy-Británia	2	szupravezető	2022
Kvantinum	Brit-USA	3	csapdába ejtett ion	2020
Quandela	Francia	1	foton	2022
QuTech és TU Delft	Hollandia	3	félvezetőkben lévő töltések spinje	2020
Quantware	Hollandia	3	szupravezető	2021
RIKEN	Japán	1	szupravezető	2023
SpinQ	Kína	1	mágneses magrezonencia	2021
USTC	Kína	4	foton, szupravezető	2020
CAS	Kína	1	szupravezető	2024

A táblázat alapján az USA nem áll rosszul. Kínában kevés helyen folyik még ilyen fejlesztés. A mostanában inkább csak lesajnálni szokott Eu-nak sincs szégyenkeznivalója. Ami meglepő számomra, az Dél-Korea, Tajvan, India hiánya a listán. A listán szerepel egy Magyarországnál kisebb lakosságú ország is, Ausztria. Az osztrák cég az Innsbrucki Egyetem mellett működik. Ez az egyetem pedig kvantummechanikai kutatások egyik fellegvára. Itt dolgozott a 2022-es Nobel-díjas Anton Zeilinger, és itt dolgozik a díj egyik várományosa  Peter Zoller, mindketten ezen a területen tevékenykednek. Zoller a Alpine Quantum Technologies tárasalapítója is. Az Ausztriában Kvantumoptikai és Kvantuminformációs Intézet innsbrucki és bécsi helyszínnel a témakör nemzetközileg elismert kutatóközpontja. (Az intézet a Nobel-díjasai közt Krausz Ferencet is említi, aki München előtt sokáig itt dolgozott. ) Mindez arra is rámutat, hogy ebben a kutatási irányban nem feltétlenül kell nagyon sok pénz a technikához, annál több szellemi háttér.

Hol állunk mi magyarok a témakörben?  A Wigner Központban az Innsbruckot is megjárt Domokos Péter akadémikus vezet egy kutatócsoportot, amely lényegében már képes lenne kvantumprocesszort gyártani. 2020 októberében létrejött Kvantuminformatikai Nemzeti Laboratórium, amelyik a Wigner Központ, a BME és az ELTE  tevékenységeire épül. A Wigner Központ és a BME közt 2022 óta kvantumhálózat működik. Elméleti képzés a BME-n és az ELTE-n is zajlik. Ott vagyunk tehát, szorosan követjük a nemzetközi trendet. 

Végezetül meg kívánom jegyezni, a hegyi beszéddel kapcsolatban, hogy ugyan "kvantumlogikailag" talán már túlhaladott, de erkölcsi és emberi  mondanivalójában továbbra is nagyon időszerű. 

Ajánlott cikkek előadások: 

Kvantuminformatikai Nemzeti Laboratórium honlapja :

https://qi.nemzetilabor.hu/hu/rolunk

Domokos Péter előadása az Akadémián:
https://www.youtube.com/watch?v=RRhQlpxCRAM&t=356s 

Zimborás Zoltán előadása a kvantumszámítógépekről:
https://www.youtube.com/watch?v=mfKmwqpP8Uk&t=984s

Beszélgetés Széchenyi Gáborral a kvantumszámítógépekről:

https://index.hu/techtud/2024/01/04/fizika-informatika-kvantumszamitogep-elte-dr-szechenyi-gabor-interju/

2. Mit jelent a Trump 2.0 a tudomány számára

Miközben Donald Trump az Egyesült Államok második elnöki ciklusát kezdi, a Nature azt vizsgálja, hogy a tudomány és a kutatás mely területei nyerhetnek vagy veszíthetnek Trump évei alatt. Eddig csak a várható vesztesekről jelentek meg tanulmányok. Mi is érintettük az  éghajlat- és a környezettudományra várható nehéz időket, ami a Földünk sorsa számára tragikus lehet. Ezt sajnos elnöki beiktatási beszédében is megerősítette. Ugyancsak terjedelmes cikkek érintették már azokat az aggodalmakat is, amit az ismert oltásellenes és összeesküvéselmélet-hivő Robert F. Kennedy Jr. egészségügyi miniszteri kinevezése jelenthet. Igaz, itt pozitívumként megjegyzik,  hogy  Kennedynek a krónikus betegségekre és az ultrafeldolgozott élelmiszerek egészségügyi kockázataira összpontosító szemléletének pozitív hatásai lehetnek. Trump azt is bejelentette, hogy az USA kilép a WHO-ból, az Egészségügyi Világszervezetből. Most új cikkében a Nature kiemeli, mik lehetnek  a nagy  nyertesek a tudománypolitikai váltásnak.  Ezek a következők:

• A „jövő iparágainak” és az Egyesült Államok és Kína közötti rivalizálás kulcsának tekintett ágazatok – mint például a mesterséges intelligencia, a kvantuminformatika,  a info-  és kommunikáció- technológia, valamint a biotechnológia (ebben Musknak is komoly érdekeltségei vannak)– várhatóan erős támogatást kapnak.
• Az űrkutatás egy másik valószínű nyertes, hiszen olyan űrmilliárdosok, mint Elon Musk, Trump tanácsadója és pénzügyi támogatója, az emberi űrrepülés szószólója. Mivel a zöld fordulat visszacsinálásának programja az elektromos autóipart is visszavetheti, itt kaphat Musk valamiféle kompenzációt is. 

https://www.nature.com/articles/d41586-025-00052-z?utm_source=Live+Audience&utm_campaign=790d82fcd4-nature-briefing-daily-20250116&utm_medium=email&utm_term=0_b27a691814-790d82fcd4-51760676