Niels Bohr Institutet. Kvanteinternettet. Anders S. Sørensen Hy-Q Center for Hybrid Quantum Networks Niels Bohr Institutet Københavns Universitet

Transkript

1 Niels Bohr Institutet Kvanteinternettet Anders S. Sørensen Hy-Q Center for Hybrid Quantum Networks Niels Bohr Institutet Københavns Universitet Temadag 16/

2 Kvantecomputere Hvis man laver computere som bygger på kvantemekanikkens love kan man løse problemer, som ikke kan løses på de computere vi kender i dag.

3 Kvantecomputere Hvis man laver computere som bygger på kvantemekanikkens love kan man løse problemer, som ikke kan løses på de computere vi kender i dag. Vi kan idag lave små kvantecomputere Eks: 9 qubit kvantecomputer lavet af Google/Santa Barbara

4 Kvantecomputere Hvis man laver computere som bygger på kvantemekanikkens love kan man løse problemer, som ikke kan løses på de computere vi kender i dag. Vi kan idag lave små kvantecomputere Eks: 9 qubit kvantecomputer lavet af Google/Santa Barbara Kan vi binde disse sammen til et kvanteinternet?

5 Kvanteinternettet Vi har allerede (små) kvantecomputere

11 Partikel bøge dualitet Kvantemekanik: Alting er både bølger og partikler

12 Partikel bøge dualitet Kvantemekanik: Alting er både bølger og partikler Fotoner E=hν

13 Partikel bøge dualitet Kvantemekanik: Alting er både bølger og partikler Fotoner E=hf

14 Partikel bøge dualitet Kvantemekanik: Alting er både bølger og partikler Fotoner E=hf Doppeltspalte forsøg med elektroner Skærm

17 Interferens Forklaring: Elektroner er bølger Skærm

22 Mach-Zender Interferometer

29 Beam splitter En foton mod en beam splitter

30 Beam splitter En foton mod en beam splitter

31 Beam splitter En foton mod en beam splitter 1/2 foton eksisterer ikke Foton går enten den ene eller den anden vej Detektorerne klikker tilfældigt

37 Klikker begge detektorer? Problem

38 Problem Klikker begge detektorer? Nej

39 Problem Klikker begge detektorer? Nej Hvad er fejlen?

40 Problem Klikker begge detektorer? Nej Hvad er fejlen? Fotonen går ikke højre eller venstre, den går begge veje. Fotonen er begge steder på en gang!

41 Problem Klikker begge detektorer? Nej Hvad er fejlen? Fotonen går ikke højre eller venstre, den går begge veje. Fotonen er begge steder på en gang! (er i en superposition)

42 Hvad nu hvis jeg kigger?

47 Hvad nu hvis jeg kigger? Fotonen kan være to steder på en gang, hvis ingen kigger!

48 Anvendelse: Kryptografi Alice Bob

49 Alice Anvendelse: Kryptografi Eva Bob

50 Alice Anvendelse: Kryptografi Eva Bob

51 Alice Anvendelse: Kryptografi Eva Bob Idé: man kan ikke stjæle 1/2 foton => gem en bit i en foton Hvis man måler forstyrrer man systemet

52 Alice Anvendelse: Kryptografi Eva Bob Idé: man kan ikke stjæle 1/2 foton => gem en bit i en foton Hvis man måler forstyrrer man systemet Brug kvantemekanik til at lave kode Kode=en lang række 0 og 1 taller (one time-pad)

53 Protokol: BB84 Alice 0 1 Bob Input port bestemmer koden (0 eller 1)

54 Protokol: BB84 Alice 0 0 Bob Input port bestemmer koden (0 eller 1)

55 Protokol: BB84 1 Alice 1 Bob Input port bestemmer koden (0 eller 1)

56 Alice Aflytning 1 0 Eva Bob

57 Alice Aflytning 1 0 Eva Bob Evas måling forstyrrer systemet => hun bliver afsløret

58 I praksis Cerberis Quantum Key Distribution Provides quantum-safe key exchange: robust against attacks from quantum computers Future-proof security: quantum keys ensure long-term data protection and forward secrecy Versatility: encryptors for different protocols can be mixed Scalable: one quantum key server can distribute keys to several encryptors for up to 100Gbps of data Adaptable: Works on dark Ybre and WDM networks Fra Også og et par stykker mere

59 Kvanteinternettet Kvantekommunikation åbner helt nye muligheder

60 Kvanteinternettet Kvantekommunikation åbner helt nye muligheder Informationssikkerhed:

61 Kvanteinternettet Kvantekommunikation åbner helt nye muligheder Informationssikkerhed: Sikker kommunikation

62 Kvanteinternettet Kvantekommunikation åbner helt nye muligheder Informationssikkerhed: Sikker kommunikation Sikre kvanteberegninger i skyen Kvantepenge som ikke kan forfalskes Sikre valg.

63 Kvanteinternettet Kvantekommunikation åbner helt nye muligheder Informationssikkerhed: Sikker kommunikation Sikre kvanteberegninger i skyen Kvantepenge som ikke kan forfalskes Sikre valg. En hel masse andre anvendelser Mere præcise ure Præcisionsmålinger.

64 Kryptografi virker Udfordringen

65 Udfordringen Kryptografi virker over korte afstande

66 Udfordringen Kryptografi virker over korte afstande Store afstande: Tab i optiske fibre

67 Udfordringen Kryptografi virker over korte afstande Store afstande: Tab i optiske fibre

68 Udfordringen Kryptografi virker over korte afstande Store afstande: Tab i optiske fibre Sandsynlighed ud: P out =e L/L 0

69 Udfordringen Kryptografi virker over korte afstande Store afstande: Tab i optiske fibre Sandsynlighed ud: P out =e L/L for L=1000 km

70 Udfordringen Kryptografi virker over korte afstande Store afstande: Tab i optiske fibre Sandsynlighed ud: P out =e L/L for L=1000 km Repetitions rate 1 GHz => en foton hvert 165,000 år

71 To-vejs kommunikation

72 To-vejs kommunikation Svaret er 42

73 To-vejs kommunikation Svaret er 42 Hvad?

74 To-vejs kommunikation Jeg sagde 42 Hvad?

75 To-vejs kommunikation Jeg sagde 42 Kan du gentage det?

76 To-vejs kommunikation Det er 42 Kan du gentage det?

77 To-vejs kommunikation Det er 42 Var det 43?

78 To-vejs kommunikation Nej 42 Var det 43?

79 To-vejs kommunikation Nej 42 42?

80 To-vejs kommunikation Ja 42 42?

81 To-vejs kommunikation Ja 42 Ok, 42

82 To-vejs kommunikation Ja 42 Ok, 42 Tillader kommunikation trods tab

83 To-vejs kommunikation Ja 42 Ok, 42 Tillader kommunikation trods tab Kan gøre det samme kvantemekanisk

84 To-vejs kommunikation Jeg sender en foton nu Ok, 42 Tillader kommunikation trods tab Kan gøre det samme kvantemekanisk

87 To-vejs kommunikation Jeg sender en foton nu Den forsvandt. Kan du sende en ny? Tillader kommunikation trods tab Kan gøre det samme kvantemekanisk

88 To-vejs kommunikation Den kommer her Den forsvandt. Kan du sende en ny? Tillader kommunikation trods tab Kan gøre det samme kvantemekanisk

89 To-vejs kommunikation Den kommer her Den forsvandt. Kan du sende en ny? Tillader kommunikation trods tab Kan gøre det samme kvantemekanisk

90 To-vejs kommunikation Den kommer her Ok, jeg fik den Tillader kommunikation trods tab Kan gøre det samme kvantemekanisk

91 Langdistance kommunikation

92 Langdistance kommunikation Forbind mange kvantecomputere over korte afstande

97 Langdistance kommunikation Forbind mange kvantecomputere over korte afstande Computere behøver ikke være store: 2-10 qubits er nok

98 Nyt forskningscenter: Hy-Q, Center for Hybrid Quantum Networks Peter lodahl Albert Schliesser Anders S. Sørensen

99 Fotonkilde (a) (b) Kvantepunkt: Defekt i GaAs. Opfører sig ca. som et atom. (c)

100 Fotonkilde (a) (b) Kvantepunkt: Defekt i GaAs. Opfører sig ca. som et atom. (c) Udsender kun én foton

101 Fotonkilde (a) (b) Kvantepunkt: Defekt i GaAs. Opfører sig ca. som et atom. (c) Udsender kun én foton Bølgeleder: Fanger fotonen med 98% sandsynlighed

102 Fotonkilde (a) (b) Kvantepunkt: Defekt i GaAs. Opfører sig ca. som et atom. (c) Udsender kun én foton Bølgeleder: Fanger fotonen med 98% sandsynlighed

103 Fotonkilde (a) (b) Kvantepunkt: Defekt i GaAs. Opfører sig ca. som et atom. (c) Udsender kun én foton Bølgeleder: Fanger fotonen med 98% sandsynlighed Næsten perfekt fotonkilde?

106 To-vejs kommunikation Problem: kvantepunkter har dårlig hukommelse ~ 1 μs L= 10 km => lys bruger mindst 33 μs på turen

107 To-vejs kommunikation Svaret er 42 Problem: kvantepunkter har dårlig hukommelse ~ 1 μs L= 10 km => lys bruger mindst 33 μs på turen

108 To-vejs kommunikation Svaret er 42 Kan du gentage det? Problem: kvantepunkter har dårlig hukommelse ~ 1 μs L= 10 km => lys bruger mindst 33 μs på turen

109 To-vejs kommunikation Jeg har glemt hvad jeg sagde Kan du gentage det? Problem: kvantepunkter har dårlig hukommelse ~ 1 μs L= 10 km => lys bruger mindst 33 μs på turen

110 To-vejs kommunikation Jeg har glemt hvad jeg sagde Kan du gentage det? Problem: kvantepunkter har dårlig hukommelse ~ 1 μs L= 10 km => lys bruger mindst 33 μs på turen Vi bliver nødt til af finde en god kvantehukommelse

111 7mm Kvantehukommelse

112 Kvantehukommelse 7mm Membran svinger ca. 1 million gange pr. sekund

113 Kvantehukommelse 7mm Membran svinger ca. 1 million gange pr. sekund

114 Kvantehukommelse 7mm Membran svinger ca. 1 million gange pr. sekund Svinger i 15 minutter (1 milliard svingninger)

115 Kvantehukommelse 7mm Membran svinger ca. 1 million gange pr. sekund Svinger i 15 minutter (1 milliard svingninger) Rigtig god kvantehukommelse

116 Peter lodahl Kvantepunkter og bølgeledere Albert Schliesser Membran-hukommelse

117 Peter lodahl Kvantepunkter og bølgeledere Albert Schliesser Membran-hukommelse Hvordan sætter vi det sammen til et kvanteinternet?

118 Peter lodahl Kvantepunkter og bølgeledere Albert Schliesser Membran-hukommelse Hvordan sætter vi det Teori sammen til et kvanteinternet?

119 Peter lodahl Kvantepunkter og bølgeledere Albert Schliesser Membran-hukommelse Hvordan sætter vi det Teori sammen til et kvanteinternet? Spørg mig om 5 år

120 Konklusion Kvanteinternet: Forbind kvantecomputere til et globalt internet Åbner nye muligheder Sikker kommunikation, Udfordringen: tab i optiske fibre Kan løses ved at forbinde små kvantecomputere over korte afstande Hy-Q Kvantepunkter og mekaniske vibrationer er løsningen?

121

122 Alice Aflytning 1 Eva Bob

125 Protocol: BB84 Alice Bob 1 Fjern beam splitter

128 Alice Aflytning 1 Eva Bob Eva ved ikke at beam splitteren er fjernet => hun bliver afsløret