A 2025. évi fizikai Nobel-díjat John Clarke, Michel H. Devoret és John M. Martinis egy 40 évvel ezelőtti kísérletsorozatért kapták, amelyben a Kaliforniai Egyetemen (Berkeley) egy szupravezető áramkörben makroszkopikus kvantumos alagutazást valósítottak meg, és az áramkört stacionárius kvantumállapotokba tudták hozni. A kísérletekre alapozva fejlesztették ki később Devoret és társai az ún. transzmon kvantumbitet, ami a ma egyik legsikeresebb kvantum-számítógépes platform alapja. Ilyen kvantumbiteket használt a Martinis által vezetett kvantumszámítógép-építő csoport is, ami a Google támogatásával először érte el az ún. kvantumfölényt.
A 2025. évi fizikai Nobel-díjat John Clarke, Michel H. Devoret és John M. Martinis egy 40 évvel ezelőtti kísérletsorozatért kapták, amelyben a Kaliforniai Egyetemen (Berkeley) egy szupravezető áramkörben makroszkopikus kvantumos alagutazást valósítottak meg, és az áramkört stacionárius kvantumállapotokba tudták hozni. A kísérletekre alapozva fejlesztették ki később Devoret és társai az ún. transzmon kvantumbitet, ami a ma egyik legsikeresebb kvantum-számítógépes platform alapja. Ilyen kvantumbiteket használt a Martinis által vezetett kvantumszámítógép-építő csoport is, ami a Google támogatásával először érte el az ún. kvantumfölényt.
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 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 szakdolgozat során az olvasó részletes ismeretekre tesz szert a newtoni fizika, valamint a kvantumfizika megértéséhez szükséges alapfogalmakhoz. Továbbá olyan napjainkban is használt titkosítási módszereket is megismer, mint az AES, az RSA és az elliptikus görbe kriptográfia. Ezeknek a részletes elemzésével betekintést nyer a rejtelmeibe, továbbá a sebezhetőségeire is rávilágít, mivel a kvantumszámítógépek megjelenésével ezek a titkosítási módszerek védtelenné válnak. Emellett még a kvantum-Fourier transzformáció is ismertetésre kerül, ami a kvantumszámítógépen futó Shor algoritmusának az alapja. Ezen felül egy táblázat is megjelenítést nyer, amelyben a manapság használt és a poszt-kvantum algoritmusok vannak összehasonlítva különböző szempontok szerint. Végül egy Qiskit demó program kerül prezentálásra, amivel megismerhetjük a kvantumszámítógépen futó programok mikéntjét.
Richard Feynman különlegesen szuggesztív előadásmódjával az 1965-ben Nobel-díjat elnyert tudós híres előadássorozatának, a Fizikai előadásoknak - (Lectures on Physics) - magyar kiadása ismertette meg a fizika iránt érdeklődőket, középiskolástól az egyetemi tanárig. A Műszaki Könyvkiadó 1968 és 70 között 9 kötetben jelentette meg Feynman előadásait, amelyeket a Kaliforniai Műegyetemen, a Caltechen tartott. A Mai fizika érdekes, olvasmányos, a szokásostól eltérő "tankönyv", ahol a szerző egyik célja az volt, hogy új felépítésben megértesse a kvantummechanika lényegét bonyolult differenciálegyenletek nélkül.Feynman népszerűsége halála után sem csökkent, ezért a régi előadások hat legkönnyebbikét egy kis kötetben újra megjelentette az Addison-Wesley Kiadó. A Hat könnyed előadás sikere után elhatározták, megnézik, hátha akad a Caltech archívumában további, ismeretterjesztésre alkalmas előadás. Sajnos nem volt több "könnyű darab", találtak azonban hat majdnem könnyűt, ezekre most a Hnt könnyed előadás (Budapest, 2000, Park-Akkord Kiadó) folytatásaként tekinthet az olvasó. Az újabb hat előadás az einsteini relativitáselmélet, a szimmetriák és a téridő fogalmát magyarázza. Az első öt fejezetben sok utalás esik az eredeti műre (R. P. Feynman-R. B. Leighton-M. Sands: Mai fizika, 1-9. kötet, Budapest, 1968-1970, Műszaki Könyvkiadó), amelyet a lábjegyzetekben csak Mai fizikaként említünk. A hatodik előadás most jelenik meg először magyar fordításban.
A mikroszkopikus rendszerek leírására a kvantumfizika nagyon sikeresnek bizonyult. Ennek lényege, hogy a rendszert egy állapotfüggvény (hullámfüggvény) írja le, a fizikai mennyiséget pedig operátorral feleltetik meg. Ezeknek az operátoroknak a sajátértékei adják meg a mérés lehetséges értékeit és az ezekhez tartozó sajátállapotokat, továbbá a számítások során megkapjuk a különböző lehetőségek valószínűségeit is. A kvantumfizika eredeti interpretációja szerint a mérés elvégzésekor a sok lehetőség közül csak az egyik realizálódik, vagyis az eredeti állapotfüggvény összeomlik a megvalósuló sajátállapotba. Ezzel az elképzeléssel több elvi probléma is adódik, ezért aztán az utóbbi évtizedekben egyre népszerűbbé vált a sokvilág-interpretáció, amely szerint mindegyik lehetőség egyformán valódinak tekintendő. A matematikai formalizmust tekintve a két elképzelés megegyezik, különbség mindössze az eredmények értelmezésében van. Egyértelmű kísérleti bizonyíték tehát nehezen szerezhető, de ez mégsem lehetetlen. Számos érv van a sokvilág-interpretáció mellet, különösképpen ilyen a működő kvantumszámítógép létezése. A jelen cikk célja, hogy egyfajta hiánypótlásként ezeket a modern eredményeket és elveket magyar nyelven összefoglalja, kiegészítve azokat néhány érdekességgel.