A projekt során megvalósítjuk azokat az alapvető kvantummechanikai eszközöket és módszereket, amelyekre a már meglévő, illetve a jövőbeli kvantumtechnológiai alkalmazások épülnek. A kialakítandó laboratóriumi hálózattal a kvantumtechnológia széles tartományában tudunk majd bekapcsolódni az innovációba. A projektben hangsúlyos szerepe van a fotonikus alapú kvantumkommunikációs célkitűzéseknek: pl. kvantumos csatornát létesítünk térben távoli, akár különböző partnereknél elhelyezett pontok között, és ezen a csatornán kvantumkriptográfiai protokollokat tesztelünk. Emellett a kvantumszámítás, illetve a kvantummechanika lehetőségeit az érzékelésben kiaknázó eszközöket is felépítünk, így kvantummemóriát, illetve egyetlen atommag spinrezonanciájára érzékeny NMR-t, meghonosítva mindazokat a mikrohullámú-, alacsony hőmérsekletű-, lézeres-, és vákuumtechnikákat, amelyeket rutinszerűen kell használni a kvantumtechnológiai alkalmazások kifejlesztéséhez.
A tervezett program a nemzetközi szinten jelentős hazai egyetemi és akadémiai kutatóbázisra épít, amelyet eszközeiben és emberi erőforrásaiban lényegesen megerősít. A résztvevő csoportokat kutatói pályájuk derekán járó vagy néhány esetben fiatal kutatók vezetik, akik korábban az MTA Lendület program vagy az ERC Starting Grant nyertesei. A program a megcélzott területeken a világ élvonalában stabilizálja az érintett csoportokat. A pályázat elősegíti ezen csoportok együttműködését az iparágban érdeklődő kutatásfejlesztő cégekkel, így együttesen kialakítja azt a kutató/fejlesztő közösséget, amelyik képes szervesen bekapcsolódni a kibontakozó kvantumtechnológia elterjesztésébe, illetve hosszú távon is fejlődni tud a hazai oktatási, tudományos és piaci körülmények között.
Konkrétabb célok
Célunk működő kvantumkriptográfiai rendszerek előállítása: a titkosító kulcsok kvantumfizika által szavatoltan biztonságos szétosztása optikai szálakban, ill. szabadlégköri környezetben. Ezt a BME-HIT (Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék), BME-FI (Fizikai Intézet), a Wigner FK, az Ericsson és a BHE együttműködésében valósítjuk meg, folytatva a BME-HIT és a Wigner FK között néhány éve indult közös kutatást, ill. a mikrohullámú tartományban a BME-HIT és a BHE között több projektben meglévő együttműködést. A munkához nemzetközi színvonalú fotonikai és kvantum-kommunikációs kutatások végzésére alkalmas, korszerű laboratóriumi infrastuktúrát alakítunk ki, beleértve a BME-FI Atomfizika Tanszékén új fotonikai laboratórium létesítését a kvantumkriptográfiai rendszerekhez is szükséges aktív és passzív eszközök fejlesztésére és tesztelésére.
Célunk egyfoton-források építése, a kvantumos információátvitelhez és -feldolgozáshoz. A Wigner FK két kutatócsoportja nanokristályokon alapuló determinisztikus egyfoton-forrásokat hoz létre, amelyek jól integrálhatók nagy rendszerekbe. Egyrészt ritkaföldfémionokkal adalékolt nanokristályok gyártásának finomhangolásával olyan forrást fejlesztünk, amelyben a fotonkeltés rátája magas, és amely hullámhosszban az optikai szálak alacsony abszorpciós “telekom” tartományát közelíti. Másrészt gyémánt, ill. SiC nanokristályokban lévő színcentrumokon alapuló egyfoton-forrást hozunk létre. A szükséges elemanalízist a BME-n meglévő infrastruktúra kibővítésével, egy közös BME-Wigner FK röntgen-foton spektrométer laborban végezzük el.
Célunk atom-foton interfész megvalósítása kvantummemóriához. A Wigner FK kísérletének lényeges továbbfejlesztésével ultrahideg Rb-atomok felhőjét ultranagy vákuumban csapdázzuk, a felhőt egy optikai rezonátor módusával kontrollált módon kölcsönhatásba léptetjük. A felépítendő rendszerben egy foton által hordozott kvantumbit nagy hatásfokkal beírható az atomok hiperfinom állapotaiba, ott hosszú ideig tárolható, majd kiolvasható. Későbbi fejlesztésben az atomban tárolt kvantumbiten egybites műveletek végezhetők el alakformált mikrohullámú impulzusokkal, ehhez a BHE nyújt kísérleti támogatást.
Célunk kvantumbit tárolása és manipulálása félvezető és szupravezető anyagok heterostruktúrájával megvalósított nanoáramkörökön. A BME-FI egy ERC Starting Grant keretében szupravezető és ferromágneses hibrid nanoáramkörök karakterizálását és fejlesztését végzi. Erre építve fogunk kvantumbitet hordozó nanoáramkört gyártani, ezen kvantumszámítási műveleteket - így összefonódást generáló kétbites műveleteket - megvalósítani. A nanoáramköröket a konzorcium maga állítja elő, az EK MFA Nanoérzékelők Laboratóriumában. A kísérletekhez elméleti támogatást nyújt az ELTE, amely szupravezető kvantumbit architektúrák tulajdonságainak, hangolhatóságának és egymáshoz kapcsolásának leírását és tervezését végzi modern anyagtudományi módszerekkel, valamint a BME-FI és a Wigner FK elméleti kutatói a topologikusan védett kvantumbit állapotok vizsgálatával.
Célunk a sokaság-alapú kvantumszámítás alaplépéseinek kísérleti megvalósítása: kvantumbit tárolása és manipulálása nitrogén-vakanciák és makromolekulák magspinjén. Ezt a BME-FI a projekt keretében kiépítendő konfokális mikroszkóppal kombinált optikailag detektált mágneses rezonancia (ODMR) mérési módszerrel fogja végezni. Építünk a BME-FI 2010 óta folyó kutatásaira, ahol az ERC Starting Grant támogással felépített eszközparkkal spinspektroszkópiai és spindinamikai vizsgálatokat végeznek, a szükséges mikrohullámú mérőáramkörök fejlesztésében pedig segítség a BHE szakértelme. A kísérletek az egyes magspinek sokaságalapú kvantumos kontrollja mellett távoli spinek közötti összefonódás létrehozását célozzák.
Célunk kvantumos érzékelés megvalósítása: biológiailag érdekes minták mikroszkópos vizsgálatánál a mágneses jelek érzékelésének kvantumos alapon történő megjavítása. A Wigner FK a Femtonics partnerrel együttműködve az ODMR-hez olyan optikai rendszert épít, amelynek felbontása lehetővé teszi nanokristályokban lévő egyedi ponthibák (színcentrumok) spinállapottól függő fluoreszcenciájának megfigyelését, és a ponthiba spinállapotának manipulációját. Célunk a rendszer alkalmazása biológiailag érdekes minták mágneses terének nagy érzékenységű, nagy felbontású leképezésére, a minták mikroszkópos vizsgálatával egyidejűleg.
Célunk a kvantumszimuláció területén új elméleti eredmények elérése. A Wigner FK és a BME-FI - szoros kapcsolatban a pályázat hidegatomos kísérleti részével - kvantumszimulációs elméleti kutatásokat végez, pl. optikai rácson csapdázott atomokat vizsgálva. Ezek jelentik a legígéretesebb megvalósítását annak a kvantumszimulációnak, amelyben a fizika alapvető jelenségeinek megértéséhez absztrakt modellekkel leírt kvantumos soktestproblémákat lehet a laboratóriumi kísérletekkel közvetlenül megoldani. A kvantumszimuláció új utakat nyithat a neurális hálózatokon alapuló mesterséges intelligencia fejlesztésében is. Kvantumos rendszereken - pl. a D-Wave kvantumszámítógépen - futtatható algoritmusokat kutat az ELTE és a BME, a Nokia-Bell partner mesterséges intelligenciára specializálódott részlegével együttműködésben.