Kvantumoptikai áttörés magyar részvétellel

Bolyongás kvantumpénzérmével

„Nehéz hétköznapi fogalmakra egyszerűsíteni a kvantumos bolyongó elméletét” – kezd bele a 2010 óta a projekten dolgozó Gábris. „A véletlen bolyongás az a folyamat, amikor egy bizonyos lépésszámú út során minden lépés előtt egy érme feldobásával döntjük el, hogy jobbra vagy balra fordulunk – az, hogy adott lépésszám mellett hány különböző útvonalat járhat be a bolyongó, színtiszta kombinatorikai probléma. A kvantumos bolyongás ennek a kvantummechanikai analógiája, azzal a csavarral, hogy az itt használt érme maga is egy kvantumos rendszer, és amíg a véletlen bolyongó egymástól független útvonalakat jár be, addig a kvantumfizikai folyamatok modellezésére használt „rokona” egyszerre az összes lehetőséget végigjárja, és a végállapotot az egyes utak együttesen számított valószínűsége adja.”

A mostanáig leginkább elméleti szinten használt modell gyakorlati megfigyelésére és alkalmazására bonyolultsága miatt eddig kevés lehetőség volt csak, a Prágai Cseh Műszaki Egyetem Nukleáris Fizikai és Fizikai-mérnöki Karán dolgozó, Igor Jex vezette elméleti, és a Christine Silberhorn vezette erlangeni Max Planck Intézet gyakorlati csoportjának együttműködésében létrejövő, hétköznapi alapanyagokból összeállított kvantumoptikai szerkezet azonban ezen a téren hoz nagy jelentőségű áttörést.

Lóversenypálya fényimpulzusoknak

A most kidolgozott eszköz a kvantumos bolyongó kétdimenziós rácson való szétterjedését fényimpulzusokkal szimulálja. A fényimpulzusok, vagyis a kvantumos bolyongó iránya tulajdonképpen a polarizációjuk változtatásával könnyen szabályozható fel, le, jobbra vagy balra, az igazi probléma az volt, hogy bizonyos lépésszám fölött a szükséges polarizáló állomások megépítése túl nagy helyigénnyel járt. „Ezt a problémát oldja meg Igor Jex ötlete: a fényimpulzusokat egy nagyobb íróasztalnyi méretű, főként optikai eszközökből összeállított lóversenypálya-szerű optikai szálak alkotta gyűrűben kell körbe-körbe futtatni, és a polarizációt minden egyes kör végén megváltoztatni” – magyarázza Gábris.

A kutató elmondása alapján a módszer és a szerkezet viszonylagos egyszerűsége és költséghatékonysága az, ami a kvantummechanikában járatlanok figyelmére is érdemes lehet. „Egyrészt nagyon fontos, hogy a fény alapvető tulajdonságainak egyszerű változtatásaival a kvantummechanikai világ bonyolult összefüggései is láthatóvá válnak, másrészt csupa egyszerű, hétköznapi forgalomban is kapható alapanyagot használtunk fel a berendezés megépítéséhez” – mondja. És valóban: a Gábris által a legdrágább alkatrésznek mondott elektrooptikai modulátort közvetve a hétköznapokban mindannyian használjuk – ez az a szerkezet, ami a rézkábeleken közlekedő elektromos impulzusokat az üvegkábelen közlekedő fénynyalábokká alakítja például a távközlésben vagy a nagy szerverparkokban.

A jövő egy darabkája

Mint minden olyan kísérletnél, ahol a közérthetőség alapesetben nem fenyeget, most is az a legfontosabb kérdés, hogy milyen, a hétköznapi emberek számára is érzékelhető alkalmazása lehet az eredményeknek. A későbbi felhasználás szempontjából két dolgot kell megemlíteni. Az egyik a kvantuminformatikához köthető: a kvantumszámítógépek és a kvantumalgoritmusok kutatásában, illetve későbbi kialakításában fontos lehet egy olyan megvalósítása a kvantumos bolyongásnak, ami kellően összetett, ugyanakkor egyszerűen szabályozható. „A mi kísérletünk jelentős lépés ebben az irányban, de persze biztosra vehető, hogy ha a későbbiekben elterjedő műszerek a mi eredményeink alapján működnek majd, nem a most alkalmazott összetevőket használják fel” – magyarázza a kutató.

A másik fontos színtér a kvantumrendszerek általános szimulációja – a kutatócsoport ezt tartja elsődleges fontosságúnak, és a Science hasábjain leközölt cikkben is ezt emelték ki: „A kvantummechanikai rendszerek vizsgálata során két problémával kell megküzdenünk: a matematikai modellezés nehézsége a rendszer méretét növelve exponenciálisan nő (ezt oldja meg az általunk használt lóversenypálya), illetve egy kvantumrendszert vagy kvantumállapotban tudunk tartani, vagy pontos mérést tudunk végezni rajta. Kvantumrendszerek szimulációjával ezt a két legyet igyekeznénk egy csapással leütni.”

Nem kell megérteni, elég, ha elfogadjuk

Gábris elmondása szerint elég nagy a konkurenciaharc a kvantumoptikai felfedezések terén: a mostani kísérlethez hasonló, de a jóval egyszerűbb, és korántsem ilyen messzire mutató egydimenziós modell megalkotásakor egy hónapon múlt, hogy nem ők, hanem egy másik kutatócsoport publikálta eredményeit a másik meghatározó tudományos szaklap, a Nature hasábjain. Sőt, most is hallottak már olyan pletykákat, amik alapján egy másik csapat szintén közel járt az ő megoldásukhoz hasonló kísérlet sikeres lefuttatásához. Arra a kérdésre, hogy miben látja a prágai és erlangeni koprodukció sikerét, a fiatal tudós elmondta, hogy az elméleti és kísérleti fizikusok között ritkán megvalósuló összhang volt az, amit ő mindenképp kiemelne.

A tudományos világ két összefüggő, de egymástól nagyon is eltérő területén dolgozók általában nehezen tudják összehangolni a munkamódszereiket, elsősorban azért, mert gyökeresen eltérő gondolkodásmódú emberekről van szó. „A kvantumoptika szakterülete azonban abban mindenképp eltér más tudományágaktól, hogy itt nagyon közel jár egymáshoz az elméleti kidolgozás és a gyakorlati megvalósítás – a kilencvenes évek végén keletkezett elméleteket bizonyítunk most, alig tíz évvel később” – mondja Gábris. Valóban, ha ezt összehasonlítjuk mondjuk az általános relativitáselmélettel, azt látjuk, hogy Einstein egyes, majd egy évszázaddal ezelőtti tételeit csak mostanában kezdték el gyakorlati eszközökkel vizsgálni a szakemberek.

Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Kvantumoptikai és Kvantuminformatikai Osztályának kutatója azt is természetesnek tartja, hogy az emberek nem értik meg a kvantumfizikát, és még az sem meglepő, ha valamelyest félnek az egzotikusnak hangzó tudományágtól. „Én szeretem az elektromosságot felhozni példaként" – fogalmaz Gábris. „A 19. század végén az egyre terjedő, de borzasztóan veszélyesnek gondolt technológiát mára nemcsak megszoktuk, de el sem tudjuk képzelni az életünket áram nélkül – pedig a mai napig kevesen vannak azok, akik pontosan értik a működését. A kvantumfizikai eredményeinek jövőbeni, hétköznapi felhasználásához ugyanígy nem lesz szükség arra, hogy egyszerű emberként megértsük az alapelveket.”