Квантовые технонологии в 21 веке Евгений Демлер Harvard

Квантовые технонологии в 21 веке Евгений Демлер Harvard University

Квантовая физика Фундаментальные вопросы Ядра Атомы Молекулы Материалы Важные приложения

Закон Мура Мощность компьютеров удваивается за каждые полтора года меньше = быстрее Со слов Гордона Мура “Экспонента не может быть вечной” 3

Наши альтернативы: Подавлять квантовые Использовать эффекты квантовые эффекты H Y= E Y Закон естественного роста. Закон Мора будет скоро следовать этой зависимости. “Квантовые технологии это радикальное изменение технологий. Они отличаются от современных технологий больше чем цифровой компьютер отличается от деревянных счет”. Вильям Филипс, Нобелевский лауреат 1997

“Внизу много места” (1959) “Когда мы говорим про очень, очень маленький мир, например электрические сети из из семи атомов - тогда должно произойти очень много новых явлений, которые могут дать совершенно новые возможности для дизайна. На малых масштабах атомы ведут себя совсем не так как на больших масштабах, потому что они подчиняются законам квантовой механики. …” Ричард Фейнман

Квантовые компьютеры Достоинства Экспоненциальное ускорение факторизации чисел на множители Shor (1994) Квадратичное ускорение скорости поиска в базе данных Grover (1996)

Биты и кубиты Кубит это квантовое обобщение классического бита. Кубит строится из двух ортогональных состояний. Таких как спин, поляризация фотона, кольцевые токи в сверхпроводящем кольце. Квантовые объекты являются волнам. Классический бит Они могут быть в состоянии суперпозиции. Кубит Физическая реализация: заряженный/разряженный конденсатор Физическая реализация: спины поляризация кольцевые токи фотонов

Классические и квантовые операции Комбинация классических операций, которая позволяет посроить все операции с классическими битами. Есть ли универсальный набор квантовых операций? Какой он? Набор операции с одиночным кубитом гораздо богаче чем с классическим битом. Можно проводить повороты вокруг осей x, y, z. Операция с двумя кубитами : Условное НЕ (CNOT) Включая элементы Includes entangling gates перепутывания Повороты на сфере Блоха : Суперпозиция Перепутывание

Квантовый регистр Классический регистр 101 Квантовый регистр = a 0 [000] + a 1[001] + a 2 [010] + a 3 [011] a 4 [100] + a 5[101] + a 6 [110] + a 7 [111] Параллелизм квантовых вычислений Квантовый процессор

“Глобальный параллелизм” квантовых компьютеров ускоряет вычисления Пример: Алгоритм Дойча (1985) Дана функция одного бита f(x). Один бит на входе, один на выходе. → Функция f(x) константа или сбалансирована? f(x) = 0 f(x) = 1 f(x) = x x f(x) 0 0 1 0 x f(x) 0 1 1 1 x f(x) 0 0 1 1 x f(x) 0 1 1 0 константа сбалансирована Классическому компьютеру нужны два запроса функции f(x), чтобы определить она константа или сбалансирована

Квантовому компьютеру достаточно одного запроса [0] + [1] [0] - [1] [0][0] -[0][1] +[1][0] -[1][1] x→x y → y f(x) [0][f(0)-f(0)] +[1][f(1)-f(1)] измерение [0 -1] если f(x) константа [0+1][0 -1] если f(x) сбалансирована [0][0 -1] если f(x) константа [1][0 -1] если f(x) сбалансиров

Квантовые вычисления = «умные» вычисления Пример: надо найти самый высокий деревянный кубик Классический компьютер: измерить каждый кубик и сравнить «Умные» вычисления: Собрать кубики вместе и проверить какой из них больше всех выступает

Квантовая факторизация 15 38647884621009387621432325631 P. Shor (1994) =3 5 =? ? Проверяется общее своийство всех 2 N входов, например, периодичность функции f(x) = sin(2 x/p) p = период f(x) = ax (Mod N) r = период (a = константа) Квантовый компьютер может факторизовать числа экспоненциально быстрее чем классический компьютер

Квантовые вычисления = «умные» вычисления

Алгоритм поиска Гровера Поиск в несортированной базе данных Чей телефон 457 0222? Количество шагов O(N 1/2) vs O(N) Алгоритм Гровера смотрит на все возможные вводы одновремено, отмечает правильный ответ и усиливает его. Геометрическая интерпретация: вектор состояния вращается по направлению к ответу в каждую итерацию

Реализации квантовых вычислений

Кандидаты на кубиты Междисциплинарное соревнование Ионы в ловушках: Наиболее разработанные и хорошо контролируемые, легко считываемые, с долгим временем считывания. Атомы в резонаторах Фотоны в оптических резонаторах Ядерный Магнитный Резонанс в Молекулах Квантовые точки

Ионы в ловушках Yb+ crystal ~5 mm 8 qubits Рекорд по количеству кубитов и сложности исполненных операций 8 кубитов в 2006

Science 2009 Nature 2009

Элементы успешного квантового компьютера Наличие когерентных кубитов Хорошая изоляция от внешней среды Универсальный набор операций. Должен воспроизводить все возможные операции Инициализация Вычисления начинаются с хорошо определенного начального состояния Считывание Возможность доступа и считывания кубитов Масштабирование Возможность увеличения количества кубитов без фундаментального изменения технологий Ваше имя

Other. Последние разработки в квантовых QC designs: вычислениях: NV Центры в алмазе Квантовые компьютеры при комнатной температуре M. Lukin (Harvard) Флюорисценция набора одиночных примесей в алмазе NV: азот и вакансия Примесь в алмазе

Последние разработки в квантовых Other QC designs: вычислениях: Топологических квантовый компьютер A. Kitaev (2003) Институт Ландау/Caltech Состояние в Квантовом эффекте Холла с n =5/2 может быть использовано для квантовых топологических вычислений Microsoft Q Station: Исследовательская лаборатория полностью посвященная топологическому квантовому компьютеру. Бюджет: около 20 миллионов за последние 5 лет

Для создания квантовых компьютеров с тысячами кубитов, которые могут быть использованы для разложения на множители больших чисел, еще требуется несколько лет работы. Уже сейчас квантовые технологии имеют важные Приложения Квантовые технологии помимо квантовых компьютеров

Самые точные часы в мире “Часы квантовой логики” лаборатории NIST используют ионы Алюминия. Это самые точные в мире часы Они используют логические операции, которые были разработаны в связи с квантовыми вычислениями в экспериментах по хранению информации в атомах квантовым вычислениям Новые алюминиевые часы будут ошибаться не более чем на секунду за 3. 7 миллиардов лет Компактная версия сверх точных атомных часов может стать основой для навигационных систем будущего. Такие системы смогут обходиться без водителей. Точность GPS определяется точностью часов Современная точность составляет метры, а нужны сантиметры.

Квантовые сенсоры и средства получения изображений Азотные центры окраски скомбинированное с техникой обработки квантовой информации могут быть использованы для магнитометрии сверхвысокого разрешения Возможные приложения для безконтактного получения изображений в режиме реального времени

Квантовые системы связи • Квантовая телепортация для передачи информации Реализованы квантовые сети на «малые» дистанции (<100 км) • Элементы памяти, связанные квантовыми каналами • Квантовые преобразования между фотонами и спинами.

Квантовые линии связи

Критическая линия связи на Чемпионате Мира по Футболу в 2010 году в Южной Африке использовала квантовую технологию Возможно потребуется для Чемпионате Мира по Футболу в 2018 году в России?

Решение фундаментальных проблем с помощью квантовых технологий Понять и научиться контролируемо разрабатывать новые квантовые материалы одна из самых важных задач в физике в 21 веке Высокотемпературная сверхпроводимость (электроенергия) Магнетизм (хранение данных) 10 -20% электроенергии теряется при передаче. Эта проблема может быть решена за счет создания линий передач без потерь из высокотемпературных сверхпроводников

Почему мы не можем решить эти задачи с помощью обычных компьютеров? Электроны в решетке. Понимание этой модели важно для описания многих твердотельных систем и решения проблем материаловедения. Примеры: квантовый магнетизм, высокотемпературная сверхпроводимость, спинтроника, …

Лучшие достижение: <40 спинов (240 x 240) (сколько занимает смоделировать 300 спинов? ) Размер вычислительной задачи удваивается при добавлении одного спина

Моделирование: от самолета к аэродинамической трубе Квантовые вычисления: решение проблемы высокотемпературной сверхпроводимости с помощью искусственных квантовых систем

Заключительные замечания

Международные Квантовые Центры Harvard-MIT Center For Ultracold Atoms, Boston USA The Institute for Photonic Sciences Barcelona, Spain Max Planck Institute of Quantum Optics Munchen, Germany Institute for Quantum Optics and Quantum Information of the Austrian Academy of Sciences, Innsbruck, Austria И многие другие …

Предлагаем: Квантовый центр в РФ Международный, междисциплинарный центр сфокусированный на новой области квантовой науки и технологии. Основная компонента: новая модель исследовательского института базирующегося в Российской Федерации (РФ) Цели: получить фундаментальное понимание сложных квантовых систем с их динамикой и контролем, обучить новое поколение ученых и инженеров, разработать квантовые технологии включая • Создание электрических сетей без потерь • Высокоточные системы навигации и часы • Абсолютно безопасные сети связи • Разработка материалов с заданными свойствами • Альтернативные источники энергии • Новые медицинские и биотехнологии • Ультрабыстрые процессоры 35