Megkezdték a munkát a Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium BME-s kutatócsoportjai.

„A világban jelenleg is zajló kvantumtechnológiai forradalomban való aktív részvételre nyújt lehetőséget a nemzetközi színvonalú kutatócsoportokat és laboratóriumokat, valamint a széles spektrumon feldolgozott témákat tömörítő Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium, amely közös platformra és célokra épülő szinergiát teremt a tudományos munkában részt vevő szakemberek és a kutatási területeik között. Elméleti vizsgálataink, tudományos eredményeink elérték azt a szintet, amelyen a következtetéseink már a gyakorlatba is átültethetők, így műegyetemi kutatóink is meghatározó szereplői lehetnek napjaink második kvantumforradalmának” – fogalmazták meg a közelmúltban elindult Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium (KNL) céljáról és küldetéséről Imre Sándor, a KNL szakmai vezetője és a BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar (VIK) Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék tanszékvezető egyetemi tanára, Bacsárdi László, a BME VIK Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratórium vezetője, a BME VIK Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék egyetemi docense, valamint Zaránd Gergely, a BME Természettudományi Kar (TTK) Fizikai Intézetének igazgatója, a BME TTK Elméleti Fizika Tanszékének egyetemi tanára.

Imre Sándor (VIK), Bacsárdi László (VIK), Zaránd Gergely (TTK)

Az információs technológia napjainkban is tapasztalható rohamléptékű fejlődése fundamentális hatással bír mindennapi életünkre. A kommunikáció alapjául szolgáló információ feldolgozását, tárolását és továbbítását végző fizikai rendszerekben hatékonyabb, gyorsabb, pontosabb, érzékenyebb és biztonságosabb módszerek kifejlesztésére törekednek a kutatók, amelyhez a kvantumtechnológia jelenségeit használják fel. A szakemberek a kommunikációban, a számítás- és információs technológiákban, a méréstechnológiákban, sőt még az orvosi diagnosztika terén is ugrásszerű fejlődésre számítanak a közeljövőben a speciális kvantumfizikai jelenségek, a kvantumos szuperpozíciók és összefonódások vizsgálatának eredményeként.

A kvantumtechnológia európai szintű jelentőségét fejezi ki, hogy az EU előbb a Horizont 2020 keretprogramban elindította, majd a 2027-ig tartó Horizont Európa keretében folytatja a Quantum Technologies Flagship nevű zászlóshajó projektet. A kezdeményezés egyik célja egy kvantuminformatikán alapuló páneurópai infrastruktúra-hálózat megalapítása, ezen belül is a kvantuminformációt továbbítani képes kvantuminternetes hálózat és európai kvantumszámítógépek létrehozása. E területhez való aktív kapcsolódásra is lehetőséget nyújt a BME részvételével megalapított Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium. A konzorcium a Wigner Fizikai Kutatóintézet vezetésével jött létre, a szakmai munkában részt vesz a BME Természettudományi Kara (TTK) Fizikai Intézete és Matematika Intézete, a BME Villamosmérnöki és Informatikai Kara (VIK) Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszéke és a Számítástudományi és Információelméleti Tanszéke, az ELTE Informatikai Kara és az ELTE Természettudományi Kara, a kezdeményezés szakmai vezetője pedig Imre Sándor, a BME VIK oktató-kutatója. A konzorcium 5 éves stratégiai programot állított fel, amelynek a finanszírozását a magyar kormány támogatja. „Az együttműködésben résztvevő kutatóműhelyek kooperációja már több éves hagyományokkal rendelkezik: a felsőoktatási intézmények a HunQuTech nevű projektben ipari partnerekkel összefogva, piaci tapasztalatokat felhasználva törekedtek a kvantumtechnológiai tudás erősítésére, a meglévő kvantumfizikai kísérleti technikák megvalósítására és a legújabb elméleti áttörésekre” – tudtuk meg az interjúalanyoktól, akik szerint a KNL kiváló lehetőséget biztosít a kezdeményezésben résztvevő műegyetemi karok közötti együttműködés elmélyítésére, a kutatók összehangolt munkájára, az innovatív megoldások elősegítésére és a tudományos munka szakmai, humán erőforrásbeli és anyagi feltételeinek megteremtésére egyaránt.

A BME Természettudományi Karon fejlesztett üvegszálba csatolt fotonpár-forrás

A jelentős kormányzati támogatással létrejött Kvantuminformatika Nemzeti Laboratóriumban végzett szakmai munka konzorciumi szinten három fő pilléren alapul, ezek: egy kvantumkommunikációs hálózat kiépítése; a kvantuminformatika elemi építőköveinek megvalósítása és a kvantuminformatikai rendszerekhez szükséges információt hordozó és információt tároló egységek kifejlesztése; kvantumszámítások és kvantumrendszerek szimulációja, ami a különböző erőforrások kvantuminformációs alapjainak, architektúrájának megteremtését jelenti, demonstrálva azt is, hogy a kvantumtechnológián alapuló eljárások miben hatékonyabbak a jelenleg ismert, hagyományos információtárolási és –közlési módszereknél. „A Műegyetemen mindhárom pillérhez kapcsolódó szakmai tapasztalat, elméleti és gyakorlati tudás megtalálható, kutatóink az utóbbi években magas impakt faktorú folyóiratokban publikálták e tématerületeken elért eredményeiket” – demonstrálták a BME konzorciumban betöltött jelentős szakmai kompetenciáját az interjúalanyok.

„Míg a korábbi projektjeink a kvantumtechnológia egyetemes kérdéseivel foglalkoztak és a kvantumfizika általános elveinek alkalmazását vizsgálták a különböző rendszerekben, addig a KNL elsősorban e szakterület informatikai és számítástudományi megvalósítási lehetőségeit veszi górcső alá. A kutatásunk során kvantumkommunikációval és kvantumszámítógépekkel egyaránt foglalkozunk. Aktuális vizsgálatainkban többek között olyan fizikai rendszert fejlesztünk, amellyel kvantuminformáció konvertálható telekommunikációs hullámhosszú és optikai hullámhosszú fotonok között. Információ tárolására alkalmas mágneses skyrmionokat keltünk és manipulálunk, illetve a mesterséges intelligencia hardverszintű megvalósításához ún. intelligens hálózatokat fejlesztünk, és új kvantumbit-platformot, félvezető-szupravezető hibrideken alapuló ún. Andreev-qubitet (AQB) hozunk létre. Terveink között szerepel olyan eljárások kidolgozása, amely alkalmas a nemzetközi piacon elérhető, felhőn keresztül programozható kvantumszámítógép-prototípusok minősítésére, ezen túl hatékony algoritmusokat hozunk létre kvantumrendszerek szimulációjához is. Fontosnak tartjuk olyan protokollok megtervezését a különböző kvantumkommunikációs feladatokra, amellyel meghatározható az elméletileg elérhető legjobb hatékonyság. Kutatásainkban a teoretikus vizsgálatok mellett a gyakorlati megvalósítás is kiemelt figyelmet kap: szakembereink egyebek mellett fotonokon, atomokon és mesterséges atomokon alapuló hardver-komponensek kifejlesztésére is koncentrálnak kvantuminformatikai műveletekhez (pl. hibrid szupravezető kvantumbitek, összefonódott fotonpár-források, kvantumos memóriaelemek, szenzorikai eszközök stb.)” – osztották meg a jelenlegi program további törekvéseiről és várható eredményeiről a szakemberek.

Kvantum alapú kulcsszétosztó rendszer működését tesztelik optikai asztalon a Villamosmérnöki és Informatikai Karon

A műegyetemi kutatások egy fontos pillérje a kvantumkommunikációs infrastruktúra kialakítása. A kutatók tervei között szerepel egy budapesti, a BME és a Wigner Fizikai Kutatóintézet között kiépítendő kvantumhálózat megvalósítása is, amely a jövő kvantuminternetének lehet az előfutára. A kapcsolathoz a kutatók hagyományos távközlési optikai szálat használnak, és a hálózat segítségével egy hosszabb ideig működtetett kvantumkommunikációs rendszer viselkedésével kapcsolatos kérdéseket vizsgálják. A rendszert a szakemberek a jövőben határon átnyúló hálózattá szeretnének bővíteni Szlovákia (Pozsony), Ausztria (Bécs), Horvátország és Románia részvételével, a gyakorlatban is megvalósítva a biztonságos, nagy hatótávolságú kvantumkommunikációs összeköttetést. A műegyetemi kutatók további terve optikai elven működő kvantum alapú véletlenszám-generátort (QRNG) építése, emellett a hardver működési minőségét javító eljárások kidolgozása és alkalmazása.

A kvantuminformatikai kutatások sokoldalú portfólióval, változatos eszköztárral és még sok megválaszolatlan kérdéssel kecsegtetik a szakterület kutatóit. Magyarország és a hazai tudományos társadalom számára is nyitott a lehetőség a különböző kvantumtechnológiai alapkomponensek és funkcionális egységek kifejlesztésére, amellyel egy, a következő évtizedben nagy jelentőséggel bíró és számottevő kutatás-fejlesztési potenciállal rendelkező területen alkothatnak társadalmi és gazdasági szempontból is rendkívüli értékkel bíró eredményeket. E területen felhalmozott szakértelem felhasználható lesz többek között egy tervezetten a 2020-as évek végére megvalósuló európai kvantum-internethálózat kiépítéséhez, a hálózathoz való csatlakozáshoz, amely megteremtheti az elvi alapon biztonságos kommunikációhoz szükséges kvantumos csatornát az állam és a gazdaság szereplői számára. A kvantumkommunikációs hálózatok lehetővé teszik a biztonsági szint növelését a jelenleg is alkalmazott titkosítási eljárásokban, amelyekkel a különböző kommunikációs vonalakat védik; továbbá a jövőben alkalmasak lehetnek egymástól távol lévő kvantumszámítógépek összekapcsolására is.

A KNL-ben résztvevő két műegyetemi kar alap- és mesterképzési kínálatában már most is megtalálhatóak olyan kurzusok, amelyeken a kvantuminformatika és a kvantumfizika matematikai alapjaival, biztonsági megoldásokkal, az IBM kvantumszámítógépe programozási alapjaival, kvantumoptikai mérésekkel, a kiberbiztonságban alkalmazható hatékony algoritmusokkal, a kvantumkommunikáció mérnöki megközelítésével és különböző kvantuminformatikai algoritmusokkal ismertetik meg a hallgatókat. A műegyetemi oktatók célja, hogy a BME képzési kínálatába a Kvantuminformatika Nemzeti Laboratóriumban elért eredményeket is beépítsék.

A 2020-ban létrejött Nemzeti Laboratóriumok közül a BME három olyan kutatói közösség munkájában is részt vesz, ahol intelligens technológiák fejlesztését megalapozó kutatásokat végeznek. A Műegyetem a Kvantuminformatikai mellett az Autonóm Rendszerek Nemzeti Laboratórium (a bme.hu korábbi tudósítása a témában – szerk.), valamint a Mesterséges Intelligencia Nemzeti Laboratórium (a bme.hu korábbi tudósítása a témában – szerk.) feladataiban is közreműködik.

TZS-HA

Fotó: Bacsárdi László, Imre Sándor, Zaránd Gergely, pixabay