Kvantteknologi. Superpositioner, entanglement, kvantbitar och helt döda katter

Transkript

1 Kvantteknologi Superpositioner, entanglement, kvantbitar och helt döda katter

2 Varför kvantteknologi? Därför att det finns pengar EU kommissionen lanserar 2017 en satsning av på kvantteknologi Därför att det är svårt We choose to go to the Moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard; because that goal will serve to organize and measure the best of our energies and skills, because that challenge is one that we are willing to accept, one we are unwilling to postpone, and one we intend to win. -JFK Därför att det finns en massa viktiga saker vi inte kan göra på något annat sätt!

3 Att ta med sig / kunna svara på Vad är skillnaden på en klassisk bit och en kvantbit? Vad är skillnaden på flera klassiska bitar och flera kvantbitar?

4 Innehåll Vad är egentligen kvantteknologi? Användning av kvantmekanisk interferens i teknologi Superpositioner (tavlan) Entanglement (tavlan) Klassiska och kvantmekaniska bitar, mer om superpositioner och entanglement Hur bygger man en kvantdator?

5 Vad är =( ~ 2 2m r2 + V )

6 Vad är =( ~ 2 2m r2 + V ) Första generationens kvantteknologi: Behöver kvantmekanik för att förstå teknologins byggstenar - informationsteknologi (halvledare) och lasrar (halvledare och växelverkan med ljus), egentligen också all kemi Behöver inte kvantmekanik för att förstå slutliga komponenten (stora system, många partiklar)

7 Vad är =( ~ 2 2m r2 + V ) Andra generationens kvantteknologi: Funktion bygger på kontroll av unika egenskaper hos enskilda kvantsystem (superposition och entanglement), kvantfysikalisk ut i fingerspetsarna Kommer att kräva en ny generation av kvantingenjörer Kvantdatorer, -simulatorer, -sensorer, -kommunikationsystem (kvantteleportation) Allt detta har visats i labbmiljö (proof of principle), steget till kommersiell teknologi ibland långt

8 Interferens och kvantteknologi Aharanov-Bohm-effekt

9 Interferens och kvantteknologi SQUID (superconducting quantum interference device) Ultra-low field MRI with SQUID detection Journal of Magnetic Resonance 229, 127 (2013)

10 Superpositionstillstånd NX = c i i i=1

11 Se utan att titta med hjälp av superposition Elitzur Vaidman bomb tester Bomben exploderar om dess trigger träffas av en foton Kan vi ta reda på att den finns (utan att den exploderar)?

12 Se utan att titta med hjälp av superposition Antag att vi justerat uppställningen för fullständig konstruktiv interferens till D, fullständigt destruktiv till C. Ingen bomb: fotonen detekteras alltid i D

13 Se utan att titta med hjälp av superposition Antag att vi justerat uppställningen för fullständig konstruktiv interferens till D, fullständigt destruktiv till C. Ingen bomb: fotonen detekteras alltid i D Med bomb: fotonens vågfunktion kollapsar av mätningen, måste välja en väg Tar nedre vägen med 50% sannolikhet: bomben exploderar, otur! Tar övre vägen med 50% sannolikhet, ingen interferens

14 Se utan att titta med hjälp av superposition Antag att vi justerat uppställningen för fullständig konstruktiv interferens till D, fullständigt destruktiv till C. Ingen bomb: fotonen detekteras alltid i D Med bomb: fotonens vågfunktion kollapsar av mätningen, måste välja en väg Tar nedre vägen med 50% sannolikhet: bomben exploderar, otur! Tar övre vägen med 50% sannolikhet, ingen interferens 25% sannolikhet för detektion i D: kan inte säga något

15 Se utan att titta med hjälp av superposition Antag att vi justerat uppställningen för fullständig konstruktiv interferens till D, fullständigt destruktiv till C. Ingen bomb: fotonen detekteras alltid i D Med bomb: fotonens vågfunktion kollapsar av mätningen, måste välja en väg Tar nedre vägen med 50% sannolikhet: bomben exploderar, otur! Tar övre vägen med 50% sannolikhet, ingen interferens 25% sannolikhet för detektion i D: kan inte säga något 25% sannolikhet för detektion i C: finns en bomb!

16 Se utan att titta med hjälp av superposition

17 Entanglement i = 1 p 2 ( "i #i #i "i)

18 Entanglement och teleportation

19 Entanglement och teleportation

20 Kvantdatorer

21 Kvantmekaniska bitar och superposition Klassisk bit = något som kan vara 0 eller 1 Kvantmekanisk bit = något som kan vara 0 eller 1

22 Kvantmekaniska bitar och superposition Klassisk bit = något som kan vara 0 eller 1 Kvantmekanisk bit = något som kan vara 0i eller 1i Exempel: spinnet hos en elektron i i

23 Kvantmekaniska bitar och superposition Klassisk bit = något som kan vara 0 eller 1 Kvantmekanisk bit = något som kan vara 0i eller 1i eller i en superposition: a 0i + b 1i Exempel: spinnet hos en elektron i i a i + b i Oj, då kan vi spara hur mycket information som helst i en enda kvantbit...? Men en mätning ger alltid 0 eller 1! ( eller med sannolikhet a 2 respektive b 2 )

24 Entanglement I klassisk fysik kan vi beskriva ett sammansatt system genom att beskriva dess delar. Två bitar: 00, 01, 10, 11 I kvantmekanik är ett sammansatt system mer än summan av sina delar!.

25 Entanglement I klassisk fysik kan vi beskriva ett sammansatt system genom att beskriva dess delar. Två bitar: 00, 01, 10, 11 I kvantmekanik är ett sammansatt system mer än summan av sina delar! Två kvantbitar: 0i 0i, 0i 1i, 1i 0i, 1i 1i, ( 0i 1i + 1i 0i)/ p 2,... + Mätning av en kvantbit ger slumpmässigt resultat, men kvantbit 2 är alltid motsatsen till kvantbit 1! Mer än bara superposition, de två kvantbitarna är beroende av varandra, sammanflätade, ihoptrasslade, entangled

26 Entanglement - varför är kvantmekanik svårt? Entanglement gör kvantsystem komplexa: För att beskriva tillståndet hos N kvantbitar krävs 2 N siffror. a 0i 0i... 0i + b 1i 0i... 0i +... Med N=300 överstiger detta antalet atomer i universum! Därför är det svårt att simulera kvantmekaniska system med en vanlig dator. Men med en kvantdator... Men var går egentligen gränsen mellan det klassiska och kvantmekaniska?

27 Kattkvantbit: a i + b i Kvantmekaniska katter?

28 Kvantmekaniska katter? Kattkvantbit: a i i + b i i

29 Kvantmekaniska katter? Kattkvantbit: a i i i + b i i i

30 Kvantmekaniska katter? Entangled to death! Kattkvantbit: a i i + b i i

31 Hur gör man en bra kvantbit? Isolerad från omvärlden - go nano! Skyddad från brus - låg temperatur Men måste kunna kontrolleras och kopplas till andra kvantbitar! Gigantisk supraledande kvantbit (Yale) Kvantbit i en jon (Lund)

32 Kvantbitar - spinn i nanotrådar och kvantprickar Fånga en enda elektron i en kvantprick Elektronens spinn = kvantbit Nanotråd (Lund) InAs InP InAs InP InAs

33 Kvantbitar - spinn i nanotrådar och kvantprickar Magnetfält roterar spinnet, tex 0i! 1i Alternativ: elektriskt fält och spinn-ban-koppling Mätning av g-factor och spinn-ban-koppling (Lund) Elektrisk spinn-manipulation (Delft)

34 Kvantbitar - spinn i nanotrådar och kvantprickar Två kvantbitar: dubbel kvantprick Skapa entanglement: singlet! Läs kvantinformation: spinn-blockad (Pauli-principen) Dubbel kvantprick i nanotråd (Delft) 1 p 2 ( i i i i)

35 Programmera en riktig kvantdator! IBM quantum experience ibmqx4 Även t ex Microsoft, Intel och Google investerar i att tillverka en kvantdator ibmqx5

36 Sammanfattning kvantdatorer Kvantbitar kan vara i en superposition a 0i + b 1i Flera kvantbitar kan vara entanglade a 0i 1i + b 1i 0i Superpositioner är känsliga och måste beskyddas Men samtidigt måste vi kunna kontrollera kvantbitar Exempel: elektronspinn i nanotrådar

37 Att ta med sig / kunna svara på Vad är skillnaden på en klassisk bit och en kvantbit? Vad är skillnaden på flera klassiska bitar och flera kvantbitar?

38 Glöm inte att Kvantmekanik är inte flummigt! Förklarar (nästan) allt Ligger till grund för mycket av vår mest använda teknologi Direkt "observerbar" i experiment som görs varje dag Alla koncept jag pratat om har demonstrerats i labb