A kvantumfizikai elveken működő kvantumkommunikáció számos érdekesmegoldást kínál. Az Einsteint is meglepő összefonódás jelenségét felhasználva kvantuminternetettudunk létrehozni, a fotonforrások működési elvét kihasználva igazi véletlenszámokattudunk előállítani, míg a kvantumfizika törvényeire alapozva olyan kvantumos kulcscserélőberendezéseket tudunk építeni, amelyek jelentősen megnövelik a különböző titkosító rendszereinkbiztonsági szintjét. Nem meglepő, hogy 2022-ben a fizikai Nobel-díjat többek között kvantumkommunikációval foglalkozó fizikus kapta, ahogy az sem, hogy Európában 2019-ben megkezdődött egy európai szintű kvantumkommunikációs infrastruktúra kiépítése. Tanulmányunkban bemutatjuk a kvantumkommunikáció legfontosabb jellemzőit, ismertetünk néhány fontos hazai fejlesztési eredményt, és kitérünk a műholdas világ nyújtotta lehetőségekre is.
A kvantumfizikai elveken működő kvantumkommunikáció számos érdekesmegoldást kínál. Az Einsteint is meglepő összefonódás jelenségét felhasználva kvantuminternetettudunk létrehozni, a fotonforrások működési elvét kihasználva igazi véletlenszámokattudunk előállítani, míg a kvantumfizika törvényeire alapozva olyan kvantumos kulcscserélőberendezéseket tudunk építeni, amelyek jelentősen megnövelik a különböző titkosító rendszereinkbiztonsági szintjét. Nem meglepő, hogy 2022-ben a fizikai Nobel-díjat többek között kvantumkommunikációval foglalkozó fizikus kapta, ahogy az sem, hogy Európában 2019-ben megkezdődött egy európai szintű kvantumkommunikációs infrastruktúra kiépítése. Tanulmányunkban bemutatjuk a kvantumkommunikáció legfontosabb jellemzőit, ismertetünk néhány fontos hazai fejlesztési eredményt, és kitérünk a műholdas világ nyújtotta lehetőségekre is.
A kvantumfizika napjaink egyik legfontosabb tudományterülete, amely meglepő részleteivel alapjaiban változtatta meg a fizikai világképünket. Ez a cikk betekintést nyújt a kvantumfizika történelmi fejlődésébe, ennek nyomán kialakult alapelveibe és modern alkalmazásaiba. Bemutatjuk, hogy milyen megfigyelések és kísérletek vezettek a kvantumelmélet kialakulásához, valamint hogyan próbálta mindezt interpretálni a tudományos közösség. Olyan részleteket is tárgyalunk, mint a részecskék hullámtermészete és az összefonódás, az olvasó elé tárva ezek filozófiai következményeit. Végül kitérünk a kvantumfizika hétköznapi alkalmazásaira is, mint például a kvantumszámítógépek, napelemek és orvosi diagnosztikai eszközök, amelyek mind a kvantumelmélet alapelveire épülnek.
A közelmúltban a kvantumszámítógépek jelentős érdeklődést váltottak ki, ami nem csak potenciális technológiai jelentőségét tükrözi, de komoly kihívást is jelent fizikai megvalósítása. Egy kvantumszámítógép megépítésének nehézsége abban rejlik, hogy olyan fizikai rendszert találjunk, amely rendelkezik a informatikai számításokhoz szükséges nemlineáris kölcsönhatásokkal, és ezzel egyidejűleg vezérelhető is, de nem kapcsolódik olyan erősen a környezethez, hogy a kvantumkoherencia gyorsan elvesszen. Ezért dolgozatom első részében áttekintem egy kvantum-Turing gép főbb részeit és tulajdonságait. A mágneses magrezonancia (NMR) spektroszkópia sokáig vezető szerepet játszott abban, hogy kis méretben viszonylag egyszerű eszköze legyen a technológia demonstrálásának. A Bell-egyenlőtlenségek által leírt két kvantumos rendszer létrehozásával, egyszerű kvantum logikai áramkörök és logikai kapuk kialakításával és effektív tiszta állapotok megvalósításával olyan kísérletek hajthatóak végre, amelyekkel a kvantumösszefonódás és ennek hatása vizsgálható. Ezeknek a kísérleteknek a szimulálásával a kvantummechanika jobban megérthető és segítik az elméleti hátteret mélyebben megismerni. Így a második felében a dolgozatomnak ezeknek a technikáknak a sajátosságait vettem át.
A magyar törvénykezésben megjelentek azok a rendeletek, amelyek ráerősítenek arra, hogy gyorsan közeledünk a kvantumszámítógépek korszakához. A teljesen újszerű elveken működő kvantumszámítógépek korábban nem megoldható problémákra hatékony és gyors megoldásokat ígérnek. Az új típusú gépek megjelenése várhatóan nem csak az informatika, a gazdaság és a különféle tudományok területén hoz nagy változásokat, hanem valószínűsíthetően a mindennapi életünkre is erősen hatással lesz. Szükségét érezzük, hogy az oktatási szféra is kövesse a kvantumtechnológia megjelenését, hogy ne érje váratlanul a jövő szakembereit. A tanulmányban szóba kerülnek a témával kapcsolatos jogszabályok, az érintett szakterületek és a kvantuminformatikában rejlő lehetőségek és veszélyek. Továbbá írunk arról, hogy milyen tapasztalatok vannak eddig a kvantuminformatika tanításának gyakorlatában.
A tanulmány felhasználva a fény kettős természetéből levont következtetéseket, új természetfilozófiai nézet alapján álló deduktív hipotézist állít fel. A hipotézis szerint a hullámelmélet az elektromágneses sugárzás struktúráját írja le, míg ugyanennek diszkrét részecskeként való megjelenése a kvantumfizika tárgykörébe tartozó funkcionális folyamat. A tanulmány a fentiek alapján a struktúra és funkció dialektikus egységét és ellentétét általános érvényű törvényként alkalmazza a látható anyagunkra és a sötét anyagra, a gravitációs és nem gravitációs kölcsönhatásokra, valamint a reverzibilis és irreverzibilis folyamatokra, beleértve az entrópia folyamatát is.
A kvantum jelenségről még Max Planck, német fizikus állított fel hipotézist 1900-ben, azonban a jelenség igazolására hosszú évtizedekre volt szükség. Az 1980-as években a kvantumtechnika számításokra való felfedezése indította el a kvantum-számítógépek megépítését. A kvantumtechnológiákban rejlő lehetőségek példátlanok"," fizikai, kémiai és biológiai kísérletek szimulálhatók, logisztikai és pénzügyi folyamatok optimalizálhatók, biztonságos és gyorsabb kommunikációt ígérnek. A nagytömegű adatfeldolgozás gyorsasága, komplexitása, titkosságának megőrzése olyan előre látható előnyök, amelyek miatt a jogalkalmazásban is szükséges lesz a kvantumszámítógépek alkalmazása. A tanulmány számba veszi, hogy melyik jogágban milyen lehetőségei vannak a kvantumszámítógépeknek, külön kiemelve a honvédelmet, ahol a kvantumszámítógépek a modern fegyvereket segítő eszközei.
A disszertáció különböző matematikai struktúrákon értelmezett megőrzési problémákat, valamint szeparációs tételeket tartalmaz. Az első fejezetben azon transzformációk szerkezete kerül leírásra, melyek invariánsan hagynak egy, a kvantum-információelméletben fontos szerepet játszó mennyiséget. Nevezetesen, a sűrűségoperátorokon értelmezett azon transzformációk szerkezete kerül leírásra, melyek egy adott, szigorúan konvex f függvény esetén invariánsan hagyják az ún. kvantum f-divergenciát. Jól ismert tény, hogy speciális f függvény választásával a kvantum f-divergencia definíciója az Umegaki relatív entrópia fogalmához vezet. A második fejezetben leírásra kerültek azon szürjektív transzformációk, melyek a pozitív definit mátrixok terén vannak értelmezve és megőriznek egy adott, unitér-invariáns normával illetve bizonyos feltételeknek eleget tevő folytonos valós függvénnyel paraméterezett, úgynevezett általánosított távolság mértéket. A harmadik fejezet az általánosított eloszlásfüggvények tere Kolmogorov-Smirnov izometriáinak alakjáról szól. A negyedik és ötödik fejezet szeparációs problémákat tartalmaz. Egy jól ismert szeparációs tétel szerint, ha egy konvex függvény egy konkáv “felett” helyezkedik el, akkor létezik a kettő között egy affin függvény. Sőt, két tetszőleges függvény esetén adható az affin szeparáció jellemzésére egy szükséges és elégséges feltétel. A negyedik fejezetben a fenti tétel általánosítása szerepel. Nevezetesen, azon valós függvény párokat jellemzése, melyek egy n-ed rendű konvex Beckenbach család tagjával szeparálhatóak. Az utolsó fejezet fő eredménye Baron, Matkowski és Nikodem valós függvénypárok konvex függvénnyel való szeparációjáról szóló tételét általánosítja. Karakterizálja azon valós függvénypárokat, amelyek egy kétdimenziós Csebisev rendszer valamely elemével szétválaszthatóak.