Квантовые технонологии в 21 веке Евгений Демлер Harvard University

Квантовая физика АтомыМолекулыЯдраМатериалы Фундаментальные вопросы Важные приложения

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

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

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.… Внизу много места (1959) Ричард Фейнман

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

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. Классический бит Физическая реализация: заряженный/разряженный конденсатор Квантовые объекты являются волнам. Они могут быть в состоянии суперпозиции. Кубит спины кольцевые токи поляризация фотонов Физическая реализация:

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) Includes entangling gates Повороты на сфере Блоха : Суперпозиция Перепутывание Включая элементы перепутывания

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 Классический регистрКвантовый регистр 101 Квантовый процессор

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

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

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

Квантовые вычисления = «умные» вычисления

Чей телефон ? Алгоритм поиска Гровера Поиск в несортированной базе данных 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 Количество шагов O(N 1/2 ) vs O(N)

Реализации квантовых вычислений

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

Ионы в ловушках Yb + crystal ~5 m 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 QC designs: NV: азот и вакансия Примесь в алмазе Флюорисценция набора одиночных примесей в алмазе Последние разработки в квантовых вычислениях: NV Центры в алмазе Квантовые компьютеры при комнатной температуре M. Lukin (Harvard)

Other QC designs: Последние разработки в квантовых 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

Квантовые технологии помимо квантовых компьютеров 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

Самые точные часы в мире Новые алюминиевые часы будут ошибаться не более чем на секунду за 3.7 миллиардов лет Они используют логические операции, которые были разработаны в связи с квантовыми вычислениями в экспериментах по хранению информации в атомах квантовым вычислениям Компактная версия сверх точных атомных часов может стать основой для навигационных систем будущего. Такие системы смогут обходиться без водителей. Часы квантовой логики лаборатории NIST используют ионы Алюминия. Это самые точные в мире часы 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 (

Квантовые линии связи

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

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, …

Размер вычислительной задачи удваивается при добавлении одного спина Лучшие достижение:

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 Institute for Quantum Optics and Quantum Information of the Austrian Academy of Sciences, Innsbruck, Austria The Institute for Photonic Sciences Barcelona, Spain Max Planck Institute of Quantum Optics Munchen, Germany 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