Kvantuminformatikai modullal nyit az SZTE Fizikai Intézete a kvantumtechnológia irányába

A terület alapfogalmairól Dr. Földi Péter egyetemi tanár, az Elméleti Fizikai Tanszék vezetője és Dr. Trényi Róbert egyetemi adjunktus, a tanszék kvantumkommunikációval foglalkozó kutatója válaszolt kérdéseinkre.

A klasszikus számítástechnikában az információ alapvető egysége a bit, amely csak 1 vagy 0, igen vagy nem állapotot vehet fel. Olyan ez akár az érmefeldobás: vagy fej vagy írás lesz a vége, és egyértelmű, hogy csak fej, vagy csak írás lehet. A kvantuminformatika alapegysége, a qubit vagy kvantumos bit ennél sokkal rugalmasabb, számára ezzel szemben bármilyen köztes pozíció is lehetséges, úgynevezett szuperpozícióban is létezhet. 

Hogyan lehet számításra használni vagy egyáltalán megfogalmazni ilyen bizonytalanság közepette a qubitet? Trényi Róbert szerint a qubit állapotának megjelenítéséhez és megértéséhez a Bloch-gömbnek nevezett matematikai koncepció a legszemléletesebb:

- A klasszikus bit a gömb északi, vagy déli pólusát foglalhatja el. A kvantumos bit állatának leírásához ezzel szemben az egész gömbfelület szükséges. Például az Egyenlítőn a pólusok egyenlő súlyú szuperpozíciójai találhatók. Ez „végtelenszer” több lehetőség, mint a klasszikus bit esetében. Ezért elvben egy qubit sokkal több információt tud tárolni, mint egy klasszikus bit. Fontos megjegyezni, hogy bizonyos mérések során ez a szuperpozíció összeomlik, a rendszer végül bekerül a pólusoknak megfelelő állapotok egyikébe.

Ahogyan a klasszikus számítástechnika feszültségszinteket használ hardverében az információ fizikai tárolásához, a kvantumtechnológia is valós fizikai objektumokat használ a qubitek megvalósításához.8

- A megfelelő hardver létrehozása a kvantumszámítás kihívásokkal teli része, hiszen a qubitek állapotai nagyon érzékenyek a környezeti hatásokra. Egy kvantumos algoritmus megvalósításának első lépése, hogy megmondjuk milyen platformot használunk a qubitek megvalósításához. A qubit hordozására olyan fizikai rendszerek alkalmasak, amelyeknek legalább két jól elkülöníthető állapota van. Ilyen például a foton két egymásra merőleges polarizációja, a csapdázott ionok különböző elektronállapotai vagy szupravezető áramkörök esetén („superconducting circuits”) például lehet a cirkuláló áram iránya („flux qubit). Mindegyik platformnak megvan a maga előnye és hátránya. Ez lesz a hardver, ezen kell inicializálni a qubiteket, amiken majd az adott algoritmushoz tartozó kvantumos kapukat megvalósítják (egy, illetve két qubites kapukat is) – mondja Földi Péter, aki a 2000-es években az Antwerpeni Egyetemen folytatott kvantuminformatikai kutatást, és ennek nyomán publikálta, hogy az elektron spinjén egybites kvantumos logikai kapuművelet valósítható meg.

A kvantumszámtógépek algoritmusai vagy „áramkörei” tehát elemi műveletekből, más néven kvantumos logikai kapukból építhetők fel. A hagyományos informatikában is vannak logikai operátorok, ilyen például az és és a vagy. E klasszikus logikai kapuk és a belőlük építhető körök mintájára kvantumos kapuk és áramkörök is tervezhetők. A kvantumszámítógép a kvantumfizika alapvető törvényszerűségeit, a szuperpozíciót és az összefonódást használja ki a számításnál. Ezeket az egymás után helyezett kvantumos kapuk teremthetik meg a qubitek között.

A hardver törékenységének fő oka, hogy a qubitek kvantumállapotait atomi méretű valós fizikai rendszerek tárolják, ezek azonban nagyon érzékenyek a környezeti hatásokra, amik következtében nemkívánt módon megváltozhatnak. Ilyenkor tehát megváltozhat az az állapot, amiből a számítás eredményét nyernénk, vagyis hibás eredményt kaphatunk. A zaj elleni védekezés az egyik fő technikai kihívás egy teljes értékű kvantumszámítógép megvalósításához. 

– A qubitek mindig terheltek valamekkora zajjal, sőt általában maguk az áramkört felépítő kapuk is zajosak. Hasznos számításokhoz viszont sok kapura és qubitre van szükségünk, ezért bonyolultabb áramkörök esetén még kritikusabbá válhat kis kezdeti zaj hatása is. Ezzel szemben a klasszikus informatikában „csak” annyi hiba származhat, hogy akaratunk ellenére nullából egybe ugrik a bit. Bonyolítja a hibák javítását a kvantumos esetben, hogy egy qubit viszont nullából bármilyen más állapotba is kerülhet – mondja Trényi Róbert.

Gyakran emlegett példa ilyen feladatra a faktorizálás, vagyis a prímtényezőkre bontás művelete, amellyel nagy egész számok esetében a hagyományos szuperszámítógépek sem boldogulnak. A jelenleg elterjedt RSA-titkosítás éppen azon a feltételezésen alapszik, hogy hatékonyan nem tudunk nagyon nagy számokat faktorizálni. Egy teljes értékű, sok qubitet kezelő kvantumszámítógép viszont a Shor-féle algoritmussal rendkívül gyors lehet a faktorizálásban, ezért az RSA-titkosítás feltörhetővé válhat vele. Trényi Róbert szerint ezzel a veszéllyel nemcsak a kvantumszámítás, de a klasszikus számítási kapacitások fejlődése is fenyeget. Ezért a kvantumkommunikáció egyik alfaja, a kvantumos kulcselosztás máris foglalkozik egy feltörhetetlen módszer kidolgozásával.
 
Földi Péter a Kvantumoptika és kvantuminformatika modulról azt mondja: kisebb lépésekben érdemes elkezdeni a diszciplína bővítését az egyetemen, hogy aztán a kvantumtechnológia fejlődésével szélesíthető legyen a képzés. Eddig az volt a szokás, hogy a kvantuminformatikára olyan kutatók nyergeltek át, akik korábban kvantumoptikát tanultak. Trényi Róbert is az SZTE Fizikai Intézetében végzett, és itt kvantuminformatikai bevezető kurzus jó alapot nyújtott későbbi kutatási területéhez, a kvantumkommunikációhoz..

A kvantuminformatikai modult választó hallgatók először is megismerkednek a „foton” fogalmával, azaz betekintést nyernek a fény részecsketermészetét is figyelembe vevő kvantumos leírásba. Ezzel az elmélettel magyarázhatók azok az úttörő kísérletek, amelyek először igazolták a kvantumos információfeldolgozás alapelveit, és a jelenleg már kereskedelmi forgalomban is elérhető kvantumkommunikációs eszközök, titkosító berendezések is a fotonokon alapulnak. A modul a fizikai háttér megismertetése után a kvantuminformatika alapjaiba is bevezeti a hallgatókat.

A Kvantumoptika és kvantuminformatika modult magában foglaló fotonikai mérnök mesterképzési szak 2024 őszén indult és elsősorban a lézeres kutatás-fejlesztésre készíti fel a hallgatókat. Földi Péter szerint a szakot plusz megkívánt órák felvétele nélkül választhatják a fizikus és a fizikus mérnök alapszakokon végzett hallgatók, és az SZTE más természettudományi alapszakjairól is érkezhetnek hallgatók. A kurzusokhoz a lineáris algebra, valamint az alapvető kvantummechanikai törvények ismeretére van szükség. Földi Péter szerint a fizikai tudásanyag az optikából indul ki, mivel a kvantumszámítógép-platformok egy része is a fény-anyag kölcsönhatáson alapul. A mesterszakon a kvantumoptika mellett nanofotonika, biofotonika és ultragyors fotonika modul is választható. https://www.physx.u-szeged.hu/oktatas/kepzeseink/uj-szakunk-fotonikai