2018 február közepén egy fénykép járta be a világsajtót, az  Engineering and Physical Sciences Research Council's (EPSRC) tudományos fotó pályázatának díjnyertes képe. Méltán. A kép közepén egyetlen stroncium atom látható. Nem elektronmikroszkóppal, vagy más, a parányi részecskéket láthatóvá tevő eszközzel készült, hanem egyszerű digitális fényképezőgéppel. Röviden: a fotó azt mutatja, amit szabad szemmel is láthatunk. Ha tovább lép, megtudhatja, miért szenzációs ez a fotó, sőt azt is, mi fán terem a kvantum számítástechnika.

 

1. Miért szenzációs ez a fotó?

 A kitüntetett figyelmet érthetővé teszi, ha a kérdéses objektum, az atom méretét, és az apró részecskék vizsgálatára szolgáló eszközök teljesítő képességét figyelembe vesszük. Az atomok mérete (átmérője) 10↑-10 m nagyságrendű (a fotón látható stroncium atomé nagyjából 4x10↑-10 m). A látható fénnyel leképező optikai mikroszkópok felbontási határa legfeljebb 2x10↑-7 m, az elektronmikroszkópokkal akár 5x10↑-10 m felbontás is elérhető. Ez utóbbi nagyjából megfelel a közepes rendszámú (a stroncium rendszáma 38) atomok méretének. No de látható fénnyel, és csak mérsékelt nagyításra képes fényképezőgéppel? Első hallásra ez lehetetlennek tűnik. De sötét háttér előtt egy világos, fénylő pontot (pontszerű fényforrást) akkor is látunk, ha mérete a felbontási határnál kisebb. Ezt rutinszerűen ki is használják: a mikroszkopizálásban sötét látóteres megvilágításnak nevezik, a tárgyat oldalról világítják meg, és az apró tárgyról a szórt fény jut a mikroszkópba. A távoli csillagok látszólagos mérete szintén kisebb, mint szemünk felbontóképessége, mégis látjuk őket szabad szemmel.

 

 2. Milyen körülmények között készült, mi látható a fotón?

A díjnyertes fotót David Nadlinger, az Oxfordi Egyetem Fizikai Intézete Clarendon Laboratóriumában található Kvantum Számítások Oxfordi Központjában (Department of Physics, Clarendon Laboratory, Oxford Centre for Quantum Computation) dolgozó PhD hallgató készítette. A fotónak az „Egyetlen atom ion csapdában” (Single Atom in an Ion Trap), vagy hangzatosabb, költői fordításban „Ion csapdába fogott magányos atom” címet adta. A kvantumszámítógépek elvének, alkatrészeinek fejlesztésén dolgozó csoportban épp azzal foglakoznak, hogy vákuumban, mágneses térrel megfogják, lebegtetik az ionizált atomokat – ezek szolgálnak egy esetleges majdani kvantumszámítógépben az egyes bitek tárolására, és köztük műveletek végzésére (lásd a 3. fejezetben). Ehhez lézernyalábbal világítják meg őket. A fénykép készítése ötletének megszületését Nadlinger így mesélte el: „The idea of being able to see a single atom with the naked eye had struck me as a wonderfully direct and visceral bridge between the miniscule quantum world and our macroscopic reality.” („Az, hogy szabad szemmel is látható egy atom, csodálatosan közvetlen és zsigeri átmenetként éltem meg a miniatűr kvantumvilág és a mi makroszkopikus valóságunk közt.” - az Index fordítása). A fényviszonyok felmérése alapján megvalósíthatónak tűnt a megörökítése. Egy csendes vasárnap délután fényképezőgéppel és állvánnyal felszerelve ment be a laborba, „ … aminek jutalma ez a kicsiny kék pontról készült különleges kép.”

A felvételhez Canon EOS 5D Mark II fényképezőgépet, EF 50 mm f/1.8 objektívet használt, makro közgyűrűvel, gél színszűrővel, f/4 blendével és 30 s megvilágítási idővel (Nadlinger személyes közlése).

A képet az angliai Fizikai Tudományok Kutatási Tanácsa 2017. évi pályázatára, a Berendezések és létesítmények kategóriában nevezte. Nem csak a kategória első díját, a fődíjat is elnyerte.

 

Az eredeti felvétel részlete, 100% méretben. A mágnespofák között középen az ionizált Sr atom.

A képen alul és felül a mágnesek, köztük keskeny résben balról-jobbról elektromos teret létesítő tű elektródok (ezek távolság 2,3 mm!) látszanak, mindez vákuum kamrában. Ebben a kombinált mágneses-elektromos térben a pozitív töltésű stroncium ion szinte mozdulatlanul lebeg, így viszonylag hosszú megvilágítási idővel készíthető a fénykép. A stroncium ion a megfelelő, ibolyakék lézer fényét elnyeli, majd rövid időn belül kisugározza – egy pontszerű, kékes színű fényforrássá válik. Ez, ahogy fentebb ismertettük, sötét háttér előtt szabad szemmel is látható, bár mérete még az optikai mikroszkópok felbontási határánál is kisebb.

 

3. A kvantumszámítógépről, kvantum számítástechnikáról (quantum computing).

A hagyományos számítógépek kettes számrendszerben működnek, ennek számjegyei a bitek. Egy bit két különböző értéket (0,1) vehet fel, egyszerre mind a kettőt soha, ezek kölcsönösen kizárják egymást. Ennek megfelelően az információt (adatokat) tároló, valamint az adatokon műveleteket végző áramköröknek két állapota van, amelyek a 0 és1 számjegyeket jelölik. Ez lehet pl. pozitív és negatív feszültség, esetleg közelítőleg 0V és közelítőleg 5V feszültség, két egymással ellentétes irányú áram, vagy ellentétes irányban álló mágneses dipól, stb. A műveleteket az adatokon úgynevezett logikai áramkörök (kapuk) végzik, a számítógép memóriájában tárolt algoritmus, program szerint.

A kvantum számítástechnika a kvantummechanika törvényeinek felhasználásával működik. A kvantummechanika a mikrovilág részecskéinek mozgását, viselkedését írja le. Legszembetűnőbb különbsége a makroszkopikus világot leíró klasszikus fizikától, hogy míg az utóbbi szigorúan determinisztikus – azaz ha egy objektum mozgását leíró paramétereket, és a rá ható erőket ismerem, pontosan ki tudom számítani a további mozgását –, addig a mikrovilágban a részecskék mozgását csak bizonyos valószínűséggel tudjuk jellemezni. Ráadásul pl. egy eldobott test, vagy egy bolygó mozgása, pályája nem változik meg attól, hogy megfigyeljük (legalábbis a megfigyelés, mérés hatása tetszőlegesen kicsi, elhanyagolható lehet). A kvantumrendszerek megfigyelése még elvben sem lehetséges a rendszer irreverzibilis megzavarása nélkül. Ez a mikrorészecskék nevezetes kettős, hullám-részecske természetével függ össze, ez a kvantummechanika makroszkopikus szemléletünkkel nehezen átlátható voltának alapja. A zavartalanul (láthatatlanul) mozgó kvantummechanikai rendszer sima hullámként írható le, de ha kölcsönhatásba kerül pl. a mérőműszerrel, akkor részecskeként viselkedik (a hullámfüggvény összeomlik).

A kvantumszámítógépekben az információt tároló legkisebb egység a qubit (ejtsd: kvibit). Ennek, a hagyományos bittől eltérően nem csak két állapota van, hanem (a kvantummechanika törvényeinek megfelelően) azok tetszőleges kombinációja (kvantum-szuperpozíció, kvantum-összefonódás) is. Ez a szuperponált állapot sem nem nulla, sem nem egy, hanem mindkettőt tartalmazza bizonyos valószínűséggel (a szuperponált állapotot és annak létrejöttét egy remek animáció szemlélteti). A szuperponáltságnak köszönhető, hogy abban a számítógépben, amely a kvantummechanika szabályai szerint fejleszti időben az állapotot, a bemenő állapot a lehetséges klasszikus bemenő állapotok szuperpozíciója. Így a gép a különböző bemenő adatokat párhuzamosan dolgozza fel, és a kimenő adatokat szuperponált alakban hozza létre. Ez, ha sikerül megoldani, hogy összekapcsolt, nagy számú qubiten megfelelő algoritmus szerint végezzünk számításokat (állapot változásokat), a „párhuzamos feldolgozásnak” köszönhetően sokkal gyorsabban dolgozhat, mint a klasszikus számítógép, és olyan speciális problémák megoldására is alkalmas lesz, amivel a klasszikus számítástechnika nem, vagy csak nagyon körülményesen birkózik meg. A kvantum-számítástechnikai kutatások két vonalon folynak: egyrészt keresik, fejlesztik a hardvert (a qubitek megvalósítását, egymással összekapcsolva hálózatba rendezését, algoritmus szerinti manipulálását, kvantum logikai kapuk segítségével), másrészt a szükséges szoftver, a kvatumalgoritmusok kidolgozásán dolgoznak. Ma már vannak, működnek néhány qubiten működő kvantumszámítógépek.

A qubitek, a kvantumszámítógép megvalósítására több ígéretes megoldást dolgoztak ki, fejlesztenek. Ezek alapjául szolgálnak pl. szupravezetők, ioncsapdák, optikai rácsok, fémként viselkedő szén nanogömbök, ritkaföldfém ionokkal szennyezett szervetlen kristályok, stb.

Forrás: http://www2.physics.ox.ac.uk/research/ion-trap-quantum-computing-group, készítőjének kiléte elveszett az idő ködében. Egymástól kb. 10 μm távolságra levő 9 kalcium-43 ion, mágneses csapdában, 397 nm hullámhosszú lézer fényt szórnak, 0,001 K effektív hőmérsékleten


Az oxfordi kutatócsoport, amelyikben a nevezetes fotót készítő David Nadlinger dolgozik, ioncsapdás kvantum számítástechnika (Ion Trap Quantum Computing - ITQC) fejlesztésén fáradozik. Ezen belül fotonikusan csatolt csapdázott ionok sorozatának létrehozására koncentrálnak, amelyek egyszerű kvantum információ processzor elemi cellái lesznek. Az első megoldandó feladat: nagyszámú ion egyidejű csapdába fogása és stabil tartása (a fenti fotón 9, egymástól kb. 10 μm távolságra levő kalcium-43 ion látható a mágneses csapdában, 397 nm hullámhosszú lézer fényt szórnak, 0,001 K effektív hőmérsékleten). Az információ feldolgozás érdekében két feladatot kell megoldani: (1) az egyes qubitek (ionok) megváltoztatását, és (2) logikai XOR művelet végrehajtását bármely két qubit között. A qubiteket az ionok tárolják egyenként (mágneses momentumuk – mint kis mágneses dipólusok – iránya az információ, mint a hagyományos számítógépek mágneses memóriájában, csak azoktól eltérően ezek mágneses momentuma nem csak két, egymással ellentétes irányba állhat be, hanem a tér bármely más irányába – kvantum-szuperpozíció –, mivel mágneses momentumuk olyan gyenge, hogy semmilyen külső körülmény nem befolyásolja). Az egymástól 10-20 μm távolságra levő ionokat egyenként meg tudják célozni néhány μm átmérőjű lézer impulzussal. A lézer fény, frekvenciájától és időtartamától függő mértékben megváltoztatja az ion mágneses momentumának irányát (ezel az (1) feladat megoldható). A (2) feladat megoldása bonyolultabb. Az egyik ion állapotát „kiolvassák” megfelelő fényimpulzussal megvilágítva, és a fényelnyelés után kibocsátott fényt detektálva, az egész ionfonalat rezgésbe hozzák az egyik ion gerjesztésével, majd a másik iont gerjesztik egy újabb fényimpulzussal, végül az első iont visszaállítják kezdeti állapotába, és az ionfonal rezgését leállítják egy újabb fényimpulzussal. A fényimpulzusok frekvenciájának és energiájának alkalmas megválasztásával, megfelelő rezonanciáknak köszönhetően, elérhető, hogy a második ion állapota a két ionban tárolt bitek közötti XOR művelet eredményének megfelelően alakuljon.