Alapvető elméleti kérdések megértésén túl akár a kvantumszámítógép megalkotásához is hozzájárulhatnak a Lendület Statisztikus Térelméleti Kutatócsoport eredményei.

„A hétköznapi életben is van tapasztalatunk arról, hogy a dolgok egyensúlyi helyzetbe kerülnek: például, ha két eltérő hőfokú test kapcsolatba kerül egymással, előbb-utóbb – a termodinamika második főtételének értelmében – kiegyenlítődik a hőmérsékletük” – magyarázta Takács Gábor egyetemi tanár, a Fizikai Intézet igazgatóhelyettese, az MTA-BME Lendület Statisztikus Térelméleti Kutatócsoport vezetője. „Egy 2006-ban, az amerikai D. S. Weiss csoportja által végzett kísérlet viszont azt bizonyította, hogy vannak rendszerek, amelyeknél ez nem következik be. Két gázcsomót – lézerrel csapdázott ultrahideg atomokat – ’engedtek össze’, és azt a meglepő jelenséget tapasztalták, hogy – szemben a várható lefolyással – a részecskék ütközései nem vezettek a két gázcsomó összeolvadásához, ami a hőmérsékleti egyensúlyt jelentette volna. Ehelyett többször is áthaladtak egymáson és egy sajátos, ingázó rendszert alkottak, amelynek dinamikája a Newton bölcsőjeként népszerűvé vált eszközhöz hasonlít, ezért ’kvantum Newton bölcsőnek is nevezik’. Kutatócsoportunk ehhez hasonló egzotikus viselkedésű rendszerekkel foglalkozik: az ezekben létrejövő stacionárius állapotok nagyon eltérnek a szokásos hőmérsékleti egyensúlytól.”

Az MSc és PhD diákokkal együtt mintegy hét-nyolc tagú kutatócsoport állandó tagjai között van két szenior kutató: az Amszterdamból nemrég visszatért, Junior Príma-díjas Pozsgay Balázs, valamint a közelmúltban Jánossy Lajos-díjjal elismert Kormos Márton. Mindketten az MTA Prémium Posztdoktori Kutatói Programjának is nyertesei. „Egyesek a doktori cím megszerzése után külföldre mennek, de szerencsére sokan visszajönnek – így diplomázó hallgatóink és doktoranduszaink –, és mindig van egy-két posztdoktorunk is. Ők mind gazdagítják nemzetközi kapcsolatrendszerünket” – ecsetelte Takács Gábor. „Egyik posztdoktorunk például októberben az Egyesült Államokban található Bookhaven National Laboratory-ba megy.”

A kutatócsoport egyik legjelentősebb publikációja 2014-ben született. „Külföldi kutatók újfajta általánosítást javasoltak a termikus eloszlásra: mi felhívtuk a figyelmet arra, hogy az nem lehet helytálló” – emlékezett Takács Gábor. „A történet vége a szakma számára érdekesen alakult. Kiderült, hogy újabb változók bevonásával tökéletesíteni lehet a modellt, de nem mindegy, hogy hogyan választjuk meg ezeket: nagyjából másfél-két évig tartott, amíg ez a probléma ’kitisztult’. Mivel eleinte a szakmában sok kolléga gondolta, hogy a javasolt eloszlás eredeti formájában is működik, nagy meglepetést okozott, amikor kiderült, hogy valójában nem.” A magyar kutatók munkájával párhuzamosan a J.-S. Caux vezette amszterdami csoport is hasonló eredményre jutott. A Lendületes kutatók ugyanakkor egyedülálló munkát végeztek a tekintetben, hogy mérhető mennyiségekre adtak egy új számítási eljárást, és ezen keresztül igen kézzelfoghatóan mutatták meg a probléma fizikai oldalát.

Az ábrán a mágneses korreláció időfejlődése látszik a vizsgált rendszerben (XXZ spinlánc): a szaggatott vonal az eredetileg javasolt eloszlás jóslata, a pontozott vonal a Lendület-csoport elméleti számításának eredménye, a piros vonal pedig egy numerikus szimuláció eredménye, amit az intézet egy másik (Zaránd Gergely vezette) Lendület-csoportja végzett.

Egy másik, a közelmúltban megjelent publikációban a műegyetem fizikusai az USA-beli Brookhaven kutatóival együttműködésben a kvantum-színdinamika egy egyszerűsített modelljét oldották meg, ami a szokásos három térdimenzió helyett egyet tart meg, azaz a térbeli világot egy egyenesre egyszerűsíti.  E kutatás során az erősen kölcsönható anyag új, egzotikus állapotai jelentek meg; érdekes és egyelőre nyitott kérdés, hogy ezek közül melyik valósítható meg kísérletileg is.

„A vizsgált kérdések egyfelől fizikai világképünk alapvető kérdéseire vonatkoznak, az egyensúly kialakulása, feltételei és az egyensúlytól távoli viselkedés ugyanis a statisztikus fizika és termodinamika alapvető problémái. Ugyanakkor az általunk tanulmányozott egzotikus kvantumrendszerek azért is fontosak, mert bennük ez a különleges dinamika szabályozottan, hosszú ideig megmarad” – mondta a kutató. „Ebből adódóan a kvantuminformációs technológia (’kvantumszámítógép’) szempontjából is érdekesek. Ehhez ugyanis pont olyan rendszerek kellenek, amelyekben jól kontrollálható módon, nagyon stabilan megőrizhető és manipulálható az információ. Elméleti jellegüknél fogva kutatásainknak ugyan nincs közvetlen technológiai alkalmazásuk – legalábbis egyelőre –, de hozzájárulnak a szükséges háttérismeretek gyarapításához.”

A kutatócsoport munkáját dedikált, speciálisan erre a célra épített számítógépes klaszter is segíti, amelyen a számításokat és szimulációkat végzik.

„A Lendület-csoportok létrehozása valódi sikertörténet, talán az elmúlt évek, évtizedek legnagyobb jelentőségű tudománypolitikai döntése volt, Pálinkás József akkori MTA elnök bátor lépése” – nyomatékosította a kutató. „Bevallom, a Lendület program bejelentésekor voltak kétségeim a sikerességét illetően, de ezekre mára a program sikere rácáfolt. Ha a finanszírozás megszűnne, természetesen megpróbálnám más forrásból pótolni a kiesett összeget, de ezekből valószínűleg nem lehetne a kutatógárdát fenntartani. Így a kollégák más intézetekben helyezkednének el, és közös pályázatokon próbálnánk pénzt szerezni. De ez ahhoz kevés lenne, hogy posztdoktoraink legyenek, ami a pezsgő szakmai élet záloga. Az is fontos, hogy most fizikailag is egy intézetben vagyunk, egy inspiráló szellemi közegben.”

A tudós úgy vélekedett, hogy e kutatócsoportoknak az egyetemeken még nagyobb jelentőségük van az oktatás és a kutatás finanszírozási nehézségei miatt. „Nagyon rossz lenne, ha a Lendület-csoportok az egyetemeken pusztán azért szűnnének meg, mert technikailag nehéz továbbvinni őket. Ezért is jelentős a közelmúltbeli bejelentés az egyetemi Lendület-csoportok további finanszírozásának szándékáról. Van azonban egy másik fontos szempont is: az uniós kutatási források megszerzése, illetve csatlakozás a nemzetközi kutatási hálózatokhoz. A kilépéshez a nemzetközi tudományos piacra és az ERC, illetve más uniós források megszerzéséhez is szükséges a Lendület biztosította háttér. Enélkül olyan versenytársakkal kell megküzdenünk, akikkel tudományos-szakmai értelemben versenyképesek lehetnénk ugyan, de a náluk elérhető finanszírozási forrásokból és rugalmasabb szabályozásból adódóan sokkal jobb lehetőségeik vannak. A Lendület-csoportok a legkiválóbbak számára biztosítják annak a tudományos potenciálnak, egyfajta ’kritikus tömegnek’ a létrejöttét, amellyel már beadható egy esélyes uniós kutatási pályázat: így  a Lendület programnak konkrét, akár forintra váltható haszna is van.”

HA - TJ

Fotó: Takács Ildikó