The Niels Bohr Institute Kvanteinformation, kvantekryptografi og kvantecomputere Anders S. Sørensen, Niels Bohr Institutet DFF Natur og Univers
Kvantemekanik er svært Det kan da! ikke passe Jo det kan! Albert Einstein Niels Bohr
Fra filosofi til teknologi Bohr og Einstein: Mange diskussioner om betydning! Gud spiller ikke med terninger Filosofi/religion I dag: kan lave eksperimenter med et atom! Verden er bare mærkelig Fysik Kan det mærkelig bruges til noget? Kvanteinformation: Gem en bit i et atom! => nye muligheder Teknologi
Lys er bølger Lys interfererer => Lys er bølger
Lys er partikler Radioaktivitet: atomkerne henfalder og udsender stråling γ-stråling er lys med høj frekvens Geiger tæller KLIK! Forklaring (Einstein/Planck): Lys er partikler; FOTONER Lys er både bølger og partikler
Lys er partikler γ-stråling er lys med høj frekvens Geiger tæller KLIK! Forklaring (Einstein/Planck): Lys er partikler; FOTONER: E=hν Lys er både bølger og partikler
Mach-Zender Interferometer
Mach-Zender Interferometer
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
Mach-Zender Interferometer
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!
Hvad nu hvis jeg kigger?
Hvad nu hvis jeg kigger? Fotonen kan være to steder på en gang, hvis ingen kigger!
Alice Anvendelse: Kryptografi Eva Bob Idé: man kan ikke stjæle 1/2 foton => gem en bit i et atom! Hvis man måler forstyrrer man systemet Brug kvantemekanik til at lave kode! Kode=en lang række 0 og 1 taller! 0100110101101110100010...
Protokol: BB84 Bob Alice 0 1 Input port bestemmer koden (0 eller 1)
Protokol: BB84 Bob Alice 0 0 Input port bestemmer koden (0 eller 1)
Protokol: BB84 1 Bob Alice 1 Input port bestemmer koden (0 eller 1)
Alice Aflytning 1 Bob 0 Eva Evas måling forstyrrer systemet => hun bliver afsløret
I praksis
Kvantecomputer
Klassisk computer x F(x) F(x)
Kvantecomputere x Alle mulige input ind Funktionen beregnet for alle mulige input ved at dreje håndtaget en gang F(x) Eks: 8 bits => 256 input 25 bits => 33 milioner input F(!! ) F(x) Problem: Hvis man måler får man et tilfældigt resultat
Kvantealgoritmer Lav algoritme som giver et svar Nye muligheder:! Lede i en database! N N Z=p1*p2 Ex: 421301=??? svært! 601*701 let n 3 exp(n) $$$$$ Løse fysik opgaver
Let eller svært Ligninger lette at løse Svært at løse Nemt på kvantecomputer
Konklusion Kvantemekanik er mærkeligt - ting kan være to steder på en gang Det mærkelige er brugbart! Kvantekryptografi! Kvantecomputer VIGTIGST: DET ER SJOVT Kryptografi virker! Små kvantecomputere virker 14 bits
Alice Aflytning Bob 1 Eva
Protocol: BB84 Bob Alice 1 Fjern beam splitter
Alice Aflytning Bob 1 Eva Eva ved ikke at beam splitteren er fjernet => hun bliver afsløret 100% sikker kryptering
Hvad sker på KU?
Forbind lys og atomer Kryptografi virker! Det med småt: over korte afstande (= 100 km) Længere afstande (og andre anvendelser) kræver at vi kan gemme information og behandle den lokalt Hvordan laver vi et lys-atom interface? Ideelt: SVÆRT Nemmere:
Teleportering Flyt kaptajn Kirk ved at sende information om ham
En god teleporteringsmaskine Telefax: læser papir et sted, sender information, og! gendanner et andet sted
Problemet Fotonen er to steder på en gang => hvis jeg måler ødelægger jeg muligheden for interferens Heisenberg usikkerhedsrelation Δx Δp ħ/2 Man kan ikke samtidig måle x og p
Løsning Bland med entangled kvantetilstand x og p er totalt ukendte men korrelerede
Experiment
Forbind lys og et atom Hvordan fanger man lyset fra et atom? Sæt ledning i atom
Det virker A.V. Akimov et al. (Harvard), Nature, Nov. 2007
I praksis Hvordan bygger man en kvantecomputer? Ionfælder: God kontrol U RF U End U DC Udfordring: hvordan får man bitsene til at snakke sammen? (NIST) Brug vibration 0.2mm I dag: virker med op til 14 bits
Konklusion Kvantemekanik er mærkeligt - ting kan være to steder på en gang Det mærkelige er brugbart! Kvantekryptografi! Kvantecomputer VIGTIGST: DET ER SJOVT Kryptografi virker! Små kvantecomputere virker 14 bits
Mit arbejde Hvordan bygger man en kvantecomputer? Ionfælder: God kontrol U RF U End U DC Udfordring: hvordan får man bitsene til at snakke sammen? (NIST) Vi fandt forbedret metode 0.2mm I dag: virker med op til 8 bits