A cikk eredeti címe: Bound entanglement-assisted prepare-and-measure scenarios based on four-dimensional quantum messages

A kvantumos összefonódottság nem pusztán mágia, hanem valódi erőforrás. Lehetővé teszi az olyan egzotikus protokollokat, mint a kvantumteleportáció, amelyben két távoli fél „átküld” egymásnak kvantumállapotba kódolt információt anélkül, hogy a kvantumállapotot hordozó fizikai részecske áthaladna közöttük. Általános vélekedés szerint az összefonódottság kulcsszerepet játszik nehéz optimalizációs problémák hatékony megoldásában is.

A legtöbb kutatás az erősen összefonódott állapotokra fókuszál, mivel ezek közvetlenül hasznosíthatók standard kvantumprotokollokban. Léteznek azonban olyan állapotok is, amelyek a másik végletet képviselik: bár matematikailag összefonódottak, ezt az összefonódást nem lehet közvetlenül kiaknázni. Ezeket nevezzük kötötten összefonódott állapotoknak, amelyeket mára kísérletileg is elő tudtak állítani, tehát nem csupán elméleti konstrukciók.

Cikkünk célja ezen kötötten összefonódott állapotok vizsgálata volt a kvantuminformatika úgynevezett eszközfüggetlen („device-independent”) keretében. Fontos kiemelni, hogy az eszközfüggetlenség nem azt jelenti, hogy egyszerűbb, vagy olcsóbb berendezéseket használunk. Éppen ellenkezőleg: az ilyen protokollok kísérleti megvalósítása általában szigorúbb és precízebb kvantumeszközöket igényel. A magasabb technológiai szint azonban megtérül: ha a protokoll tényleg az előírás szerint fut (amit az eszközfüggetlen tanúsítás garantál), akkor a működés helyességét maga a kvantummechanika érvényessége szavatolja. Ennek köszönhetően szuperbiztonságos kvantumtitkosítást vagy megbízható véletlenszám-generátort kaphatunk.

Konkrét eredményünkben egy háromcsomópontos hálózatban sikerült kötötten összefonódott állapotokat tanúsítanunk eszközfüggetlen módon, a preparálj-és-mérj paradigmán belül (lásd az ábrán az elrendezést). A detektáláshoz mindössze egyetlen kiegészítő feltételt tettünk: a küldött kvantumos üzenet dimenzióját négyre korlátoztuk. Másként fogalmazva, az A-C és B-C állomások közti csatorna kvantumkapacitása két qubitre korlátozódik. Ezáltal gyakorlatilag eszközfüggetlen bizonyítást adtunk, leszámítva az előbbi dimenziófeltevést, amely az úgynevezett „semi-device-independent” megközelítésnek felel meg.

A javasolt kísérleti elrendezés kísérletbarát, nem igényel bonyolult kvantumműveleteket, csupán qubiteken ható kvantumkapukat használ, és várhatóan könnyen skálázható magasabb dimenziós fotonikai platformokra is.

A cikk eredeti címe:  ¹⁴C age of recent natural earthworm biospheroids  ̶  implications for paleosol dating

A talajképződés és a talajban zajló szénfolyamatok vizsgálata alapvető fontosságú a globális környezeti változások megértéséhez. A talajfejlődési folyamatok időbeli lefolyásának, vagyis a „talajkor” meghatározása azonban mindmáig jelentős kihívást jelent a földtudományok számára. A talaj egy folyamatosan képződő/alakuló, komplex rendszer, amelyben a szerves szénfrakciók eltérő eredetű és korú komponenseket tartalmazhatnak, a frissen beépült növényi maradványoktól egészen a több ezer éves, stabilizálódott humuszfrakciókig. A szervesanyag alapú radiokarbon kormeghatározás ezért a talajok esetében gyakran korlátozottan alkalmazható. A mérésekhez többféle anyag használható, például a teljes szerves szén, annak egyes frakciói, illetve makrofosszíliák, mint a faszén, növényi törmelék, csigák vagy kagylók. Ezek azonban nem minden esetben in situ, az adott talajrétegben keletkeztek, így a mért radiokarbon kor nem feltétlenül tükrözi a talajképződési esemény tényleges idejét.

Kutatásunk a talajban képződő másodlagos karbonátok egy különleges típusára, a földigiliszták (Lumbricidae család) által kiválasztott kalcium-karbonát bioszferoidokra irányult, amelyek új lehetőséget kínálnak a talajkronológiai vizsgálatokhoz a radiokarbonos datálás területén. Ezek a néhány milliméter (0,5-1 mm) átmérőjű kalcitgömbök a földigiliszták Morren-féle mészmirigyeiben képződnek, majd kiválasztásuk után a talajban stabilan megőrzik a keletkezésük idején uralkodó szénizotópos összetételt.

A vizsgálatokhoz Debrecen környéki, csernozjom talajokból gyűjtöttünk természetes, recens bioszferoidokat. A minták előkészítése és a radiokarbon (¹⁴C) mérések a debreceni HEKAL laboratóriumban, gyorsítós tömegspektrometriás (AMS), gázionforrásos (GIS) méréstechnikát alkalmazva történtek.

A földigiliszta bioszferoidokból mért ¹⁴C-aktivitások a mintavétel idején érvényes légköri értékekkel egyezőnek bizonyultak, azaz a bennük megkötött szén rendkívül fiatal, biogén eredetű, és közvetlenül a talaj–légkör közötti aktív szénáramláshoz kapcsolódik, nem pedig a talajban hosszabb ideig tárolt, idősebb szénkészletből származik.

A tanulmányban az első hazai kísérletsorozat eredményeit mutatjuk be, amely során igazoltuk, hogy ezek a biogén, kalcium-karbonátos eredetű bioszferoidok alkalmasak a recens talajfolyamatok radiokarbonos vizsgálatára, és megbízhatóan közvetítik a légköri/biológiai szénizotópos jelet. Az első hazai földigiliszta bioszferoidokon végzett radiokarbonos kísérletsorozat igazolta a módszer gyakorlati alkalmazhatóságát, és perspektivikus irányt nyit az idős (pleisztocén-holocén), eltemetett paleotalajok és löszrétegek kronológiai vizsgálatában.

A cikk eredeti címe: Classical bounds on two-outcome bipartite Bell expressions and linear prepare-and-measure witnesses: Efficient computation in parallel environments such as graphics processing units

A kvantumelmélet a természet olyan különös jelenségeit is képes leírni, amelyekre a klasszikus fizika eszközei már nem adnak magyarázatot. Az egyik legkülönösebb a kvantum-összefonódás. Ilyenkor két vagy több részecske olyan közös kvantumállapotba kerül, aminek során az egyik részecske állapotát nem lehet a másik nélkül értelmezni, még akkor sem, ha a részecskék térben messze kerülnek egymástól. Ha például megmérjük az egyik részecske valamely tulajdonságát (pl. spinjét vagy polarizációját), ezzel azonnal meghatározottá válik a másik részecske megfelelő tulajdonsága is függetlenül attól, hogy milyen messze található. A kvantumösszefonódás jelenségét kísérleti úton is meggyőzően sikerült igazolni. 2022-ben  Alain Aspect, John F. Clauser és Anton Zeilinger részesültek fizikai Nobel-díjban az összefonódott fotonokkal végzett kísérleteikért és a Bell-egyenlőtlenségek megsértésének kimutatásáért.

Egy kétrésztvevős optikai Bell-típusú kísérletben két kísérletező, Alíz és Bob kapja meg egy összefonódott fotonpár tagjait. Mindkét foton egy polarizációs szűrőn halad át, amelynek szögét a kísérlet alatt szabadon lehet változtatni. Alíz és Bob minden mérésnél véletlenszerűen választanak egy szöget egy előre rögzített, véges számú lehetőség közül. A mérés kimenetele bináris: +1 vagy -1 attól függően, hogy a foton átjut-e a szűrön vagy sem. Ha a kísérletet sokszor megismétlik, minden mérési beállítás-párhoz meghatározható az együttes kimenetelek valószínűségi eloszlása.

Egy másik kvantumkommunikációs elrendezés, amely nem igényel összefonódottságot, az ún. preparálj-és-mérj protokoll. Ebben a kísérletben Alíz  egy véletlenszerűen kapott paraméter alapján előállít egy adott kvantumállapotot (például foton polarizációjába kódolva), majd elküldi azt Bobnak. Ezen állapotot Bob egy szintén véletlenszerűen kiválasztott mérési beállítás mellett megméri, és +1 vagy -1 kimenetelt kap attól függően, hogy a foton átjut-e a szűrőn vagy sem. A kísérletet sokszor megismételve, minden mérési beállítás-párhoz kiszámítható a kimenetek valószínűsége.

Mind a Bell-típusú, mind a preparálj-és-mérj elrendezéseket matematikailag a tanúmennyiségek segítségével vizsgálhatjuk egyszerűen, melyeket egyenlőtlenség formájában adhatunk meg.  Egy mérési elrendezéshez tartozó tanúmennyiség a különböző beállítások mellett mért kimeneti eredmények várható értékeinek egy adott kombinációja, ahol az együtthatók az ún. tanúmátrix elemei. Amennyiben a kísérlet klasszikusan modellezhető, a tanúmennyiség mindig egy bizonyos határon belül marad. Kvantumállapotok és adott mérési beállítások esetén azonban ez a határ átléphető. Minél nagyobb mértékben lépi túl a tanúmennyiség ezt a klasszikus korlátot (vagyis minél nagyobb az egyenlőtlenségek megsértése), annál nagyobb az elérhető kvantumos előny (ún. kvantumfölény). Ennek meghatározása kulcsfontosságú a különböző kvantumtechnológiai alkalmazások implementációja szempontjából.

A kvantumfölény kimutatásához elengedhetetlen a klasszikus felső korlát pontos kiszámítása. Analitikus meghatározása legtöbbször csak kisszámú mérési bemenet esetén lehetséges, ráadásul az erőforrásigény a mérési bemenetek és a résztvevők számának növekedésével exponenciálisan skálázik. Emiatt általában csak kiskomplexitású rendszerek vizsgálatára van lehetőség. Ezen probléma megoldását segíti azon új nagyléptékű algoritmus, amely képes kétrésztvevős, két kimenetellel rendelkező Bell-egyenlőtlenségek, valamint preparálj-és-mérj protokollok klasszikus korlátainak kiszámítására, és a jelenlegi irodalomban fellelhető számítási megoldásoknál lényegesen hatékonyabb. Ezáltal utat nyithat a sok bemenetellel rendelkező kvantumrendszerek rutinszerű vizsgálatához, melyek a kvantumtechnológia rohamos fejlődésével napjainkra már kísérletileg is egyre inkább megvalósíthatók.

A cikk eredeti címe: Low-energy Measurement of the 86Kr(α, n)89Sr Reaction Cross Section and Its Impact on Weak R-process Nucleosynthesis

A vasnál nehezebb stabil, neutron-gazdag atommagok mintegy fele valamilyen robbanásos asztrofizikai folyamatok során jöhet létre melyet a Napunk hőmérsékletét legalább két nagyságrenddel meghaladó hőmérséklet, maximum néhány másodperces időskála és extrém magas neutronsűrűség jellemezhet. Csillagászati észlelések és pontos magfizikai adatok hiányában évtizedeken keresztül rendkívül hiányos volt ezen nukleoszintézis folyamatokról rendelkezésre álló tudásunk. Változást a XXI. századi rendkívül pontos csillagászati megfigyelések, a többcsatornás csillagászat, a Tejút peremén található vén csillagok és a Naprendszerünk létrejöttét megelőzően keletkezett meteoritszemcsék vizsgálatai hoztak.

Ugyanis - bár a robbanásos nukleoszintézis folyamatokat kiterjedt, több száz – több ezer magreakciót tartalmazó, hálózatokkal vizsgáljuk - az észlelések eredményeit felhasználva lehetőség nyílt a kulcsreakciók azonosítására. Hipotézisünk, hogy amennyiben kritikus mennyiségű kulcsreakció hatáskeresztmetszetét megfelelő pontossággal ismerjük asztrofizikai energiákon akkor a fémszegény vén csillagok és a meteoritszemcsék összetételét felhasználva meghatározhatjuk annak az asztrofizikai közegnek a jellemzőit, amiben kialakultak. A mérési feladat azonban minden csak nem könnyű…

Jelenlegi ismereteink szerint a 86Kr(α,n)89Sr magreakció a szupernóva robbanást követően végbemenő nukleoszintézis folyamat egyik kulcsreakciója lehet. Hatáskeresztmetszetének egy ritkán használt technikával, asztrofizikai energiákon kivitelezett mérésével és felhasználva a vén csillagokat jellemző izotóparányokat, vizsgáltuk hipotézisünk gyakorlati alkalmazhatóságát.

A cikk eredeti címe: Solar Cycle Detected in Natural Tritium of Ice Layers Before the Nuclear Era

Korábbi cikkünkben kimutattuk (Palcsu et al., 2018), hogy a naptevékenység 11 éves ciklusa befolyásolja a csapadék tríciumkoncentrációját. Mostani tanulmányunkban elsőként mutatunk be egy jégmag trícium idősorát, amely 1923-ig nyúlik vissza egy olyan időszakot lefedve, amely megelőzi az 1950-es évek elején végrehajtott termonukleáris fegyverkísérleteket, ezáltal lehetőségünk adódik a természetes trícium viszgálatára során. A hélium-3 tömegspektrométeres mérésén alapuló alacsony tríciumkoncentrációk érzékeny elemzése lehetővé tette számunkra, hogy megbecsüljük a trícium természetes szintjét és annak változékonyságát a svájci-olasz Alpokban található Colle Gnifetti gleccser akkumulációs zónáján. A napfoltszámot és a kozmikus sugárzás másodlagos neutronjainak számlálási sebességét használó statisztikai elemzések megerősítették, hogy a naptevékenység is hatással van az első hidrogénbomba-kísérletek előtt felhalmozódott jégrétegek tríciumkoncentrációjára. A kutatásunk során tapasztalt természetes tríciumszint nagyon jól egyezik a 30-as, 40-es évek európai borminták tríciumkoncentrációihoz, valamint a MIROC5-iso légköri általános cirkulációs modellel végzett modellszámításokhoz. Az elmúlt három évtized jégrétegei, valamint a svájci csapadék trícium idősorai azt mutatják, hogy még mindig enyhén csökken a jég és a csapadék tríciumtartalma, de még mindig magasabb, mint a modellszámításból adódó természetes szint. A jégmagok további érzékeny tríciumelemzései világszerte lehetőséget adnak ezen modellek validálására, a természetes szint meghatározására és a lokális-regionális szennyezők detektálására.

Palcsu, L., Morgenstern, U., Sültenfuss, J., Koltai, G., László, E., Temovski, M., et al. (2018). Modulation of cosmogenic tritium in meteoricprecipitation by the 11‐year cycle of solar magnetic field activity. Scientific Reports, 8(1), 12813.

Az izospin szimmetria alapvető fogalom a magfizikában. Bár ez szimmetria részben sérül (a Coulomb taszítás miatt), a legtöbb magfizikai rendszerre vonatkozóan közelitőleg érvényes, ez a tény pedig a kivételeket nagyon érdekesé teszi magszerkezeti szempontból. Általánosságban ugyanis tükörmagok (olyan atommag párok melyekben a nukleonok száma megegyezik, de proton és neutronszámaik felcserélődnek ) esetén az várható, hogy alapállapotaik spinjei és paritásai azonosak.

Kéziratunkban kísérleti bizonyítékokat mutatunk arra, hogy ez a feltételezés a 71Br (mely magban a protonok száma 35 és a neutronok száma 36) és 71Kr (mely magban a protonok száma 36 és a neutronok száma 35) tükörpár rendszerben megsérül. Mérésünket a Tokió mellett található RIKEN Nishina Gyorsítóközpontban végeztük az EURICA és WASABI detektorrendszerekkel. Következtetéseink a 71Kr mag rendkívül magas statisztikájú β bomlás mérésén és héjmodell számításokon alapulnak.