A cikk eredeti címe: AMS-validated high-precision radiocarbon analysis of 14C-enriched environmental samples by laser spectroscopy

Jelenleg a radiokarbon (¹⁴C) mennyiségének és arányának mérésére egy adott mintában a gyorsítós tömegspektrometria (AMS) a legelterjedtebb módszer. Áteresztőképességének, pontosságának, kis mintaigényének és számos egyéb előnyének köszönhetően alkalmazása széles körben elterjedt, ám ezen műszerek üzemeltetése a mai napig komplex feladat; méretük és energiaigényük pedig jóval meghaladja a korábbi gázproporcionális számlálók (GPC) és folyadékszcintillációs számlálók (LSC) jellemzőit.

A közelmúltban kifejlesztett lézerspektroszkópiai módszerek – mint a SCAR ¹⁴C  lézerspektroszkóp is – az említett technikák előnyeit ötvözik. Ezek a műszerek az AMS-hez hasonló pontosságra képesek, mintaigényük sem jelentősen nagyobb, miközben fizikai méretük egy LSC-berendezéséhez mérhető. A módszer újszerűsége miatt annak teljesítőképességét tesztelni és validálni szükséges, amelyre a legalkalmasabb út az AMS-módszerrel való összehasonlítás. Korábbi, műanyagmintákon – tehát alacsonyabb ¹⁴C/¹²C arány-tartományban – végzett méréseinkkel már igazoltuk a SCAR módszer létjogosultságát. Jelen tanulmányunkban azt vizsgáltuk, hogy az enyhén ¹⁴C-ben dúsult, a nukleáris környezeti monitoring szempontjából kiemelt jelentőségű tartományban is képes-e a műszer megbízható eredményeket produkálni. Eredményeink azt mutatják, hogy a SCAR megfelelő alternatíva lehet a nukleáris környezeti ¹⁴C-monitoring területén az AMS kiváltására, mivel a két mérési módszer között nem volt tapasztalható szignifikáns eltérés. Tanulmányunk az első, amelyben a SCAR-mérést stabilizotóp-arányméréssel és ¹³C-frakcionáció-korrekcióval egészítettük ki, ami tovább növelte az eredmények pontosságát és egyezőségét. Az adatok újszerűségét fokozza, hogy a kísérletet egy új prototípus műszeren végeztük, amelynek mérete a korábban alkalmazott berendezés töredéke. A módszer elterjedése a ¹⁴C-méréseket sokkal elérhetőbbé teheti, ami növelheti az alkalmazások számát a kutatásban, fejlesztésben és az ipar egyes területein is.

A méréseket a HUN-REN Atommagkutató Intézetben (ATOMKI) és az olaszországi CNR-National Optical Institute laboratóriumaiban hajtottuk végre.

A cikk eredeti címe: Tracing old carbon sources in Hungarian nectar samples using radiocarbon analysis

Korábbi kutatásaink szerint egyes mézfajták viszonylag nagy mennyiségben tartalmazhatnak idősebb, akár több mint 5 éves szenet. Ez rávilágított arra, hogy a méz nem egyszerűen az adott évben a növények által a fotoszintézisen keresztült fixált szenet tartalmazza, hanem esetenként valamilyen szénraktárból veheti azt fel, akár a növényben raktározott szénkészletből, vagy esetleg a talajból közvetett úton. Ezért egy átfogó mintavételi kampány keretében nektármintákat gyűjtöttünk napraforgó, alpa, repce, akác, facélia és hárs virágokról. Ezt követően a steril kapillárisban gyűjtött minták szén stabilizotóp-aránymérését (¹³C/¹²C) és radiokarbon (¹⁴C/¹²C) mérését végeztük el tömegspektrometriás módszereket alkalmazva.

A stabilizotóp-aránymérések eredményei jelentős különbségeket nem mutattak a különböző növényfajok között és a radiokarbonmérések csak néhány esetben mutattak nagyobb, több évet jelentő eltérést a várt, az azévi légköri ¹⁴C szintet reprezentáló értéktől, főként az akácminták esetében. Ebben az esetben, a több éves szén detektálásáért feltehetőleg a fákban hosszú ideig tárolt, nem struktúrális szénraktárak lehetnek felelősek, amelyek jelentős mennyiségben tartalmazhatnak könnyen mobilizálható cukrokat, amely a nektár egyik fő alkotóeleme. Az eredményeink nem mutatnak olyan öreg ¹⁴C korokat, mint amiket korábban a mézminták esetében tapasztaltunk. Ez azt sugallja, hogy a mézekbe nem a nektáron keresztül kerül közvetlen úton az idős szén, hanem esetleg nem virág eredetű forrásokon keresztül, akár természetes úton, vagy mesterségesen, a feldolgozás során.

A cikk eredeti címe: Nonresonant capture cross section measurement of the ²⁹Si(p,γ)³⁰P reaction

Bizonyos kettős csillagokban végbemenő klasszikus nóva robbanások során lejátszódó termikus megfutási események (TNR – Thermonuclear runaway) hozzájárulnak a világegyetemet felépítő kémiai elemek egyes csoportjainak szintéziséhez. A megfutás során számos magreakció játszódik le. Később a kilökött anyag (megőrizve a létrejött elemeket) meteoritokba záródhat szemcsék formájában. Ezeket a szemcséket feltárva információt lehet szerezni azon izotópok gyakoriságáról, melyek a termikus megfutás során jöttek létre. Azonban eddig nem sikerült egyértelmű bizonyítékot találni arra, hogy a vizsgált meteoritokban talált izotópok valóban klasszikus nóvarobbanások során keletkeztek. Ennek egyik oka, hogy a termikus megfutásban lejátszódó reakcióhálózat kulcsreakcióinak reakciósebessége vagy nem, vagy csak nagy bizonytalansággal ismert. Az egyes izotópok keletkezéséért felelős kulcsfontosságú reakciókat érzékenységi vizsgálatokkal lehet azonosítani. Ilyen tanulmányok kimutatták, hogy a szilícium izotópok esetében az egyik kulcsreakció a ²⁹Si(p,γ)³⁰P, melynek kísérletileg nem ismert a direkt (nemrezonáns) befogási hatáskeresztmetszete.

Jelen munkánkban ezt a reakciót vizsgáltuk, azaz a ²⁹Si(p,γ)³⁰P reakció nemrezonáns hatáskeresztmetszetét mértük meg. A termikus megfutásokra jellemző hőmérséklettartományban a reakció sebességét alacsonyenergiás rezonanciák dominálják, azonban a teljes reakciósebesség ismeretéhez szükséges a direkt befogási hatáskeresztmetszet is, melyre eddig az irodalomban csak elméleti számítás állt rendelkezésre. A kísérleti munkát teljes egészeben az ATOMKI-ban végeztük. A reakcióban létrejövő ³⁰P radioaktív, ezért az aktivációs módszert alkalmaztuk. A módszer lényege, hogy a ³⁰P bomlását detektálva meghatározható a reakció hatáskeresztmetszete. Eredményeinket összehasonlítottuk az irodalomban található elméleti számítással és azt találtuk, hogy az általunk meghatározott kísérleti értékek átlagosan négyszeresen felülmúlják az elméleti értékeket. Ez az eredmény befolyásolhatja a nóva robbanásokban keletkező szilícium izotópok számított mennyiségét.

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.