1 od kotków Schroedingera do komputerów kwantowychNOBEL Z FIZYKI 2012 Rafał Demkowicz-Dobrzański Wydział Fizyki, UW

2 Nobel 1918 – Nobel 2012 Max Planck za odkrycie kwantów energii 1921 – Albert Einstein za odkrycie praw rządzących zjawiskiem fotoelektrycznym 1922 – Niels Bohr za badanie i opracowanie modelu budowy atomu 1929 – Luis de Broglie za odkrycie falowej natury elektronów 1932 – Werner Heisenberg za stworzenie mechaniki kwantowej 1933 – Erwin Schroedinger za odkrycie nowych form teorii atomowej Max Born za statystyczną interpretację funkcji falowej 1964 – Charles Townes za prace prowadzące do powstania lasera 1989 –Wolfgang Paul za rozwój technik pułapkowania jonów 1997 – Cohen-Tannoudji, Chu, Phillips za rozwój metod chłodzenia i pułapkowania atomów laserem 2012 – Serge Haroche, David Wineland za przełomowe eksperymentalne metody, które umożliwiają pomiar i manipulację pojedynczych układów kwantowych

3 Światło - wydawało się, że to proste…Pole magnetyczne Pole elektryczne Długość fali Kierunek rozchodzenia się fali Mikrofale Podczerwień Fale radiowe Nadfiolet Promieniowanie gamma Światło widzialne rengenowskie Promieniowanie rentgenowskie długość fali [m] 7 ·10-7 m 4 · 10-7 m

4 Dlaczego nie wszystko jest fioletowe?Klasyczne rozumowanie: promieniowanie o krótszych długościach fal łatwiej zmieścić w danym obszarze- powinno go być więcej. ALE NIE JEST! Ratunek: Światło niesie energię w porcjach - kwantach. Krótsze fale – większa energia porcji – trudniej wzbudzić Max Planck (1900)

5 Fotony – kwanty światłaŚwiatło = i fala i strumień cząstek…

6 To co było proste staje się trudne…klasyczna fala foton detektor detektor detektor detektor Jedna porcja energii – możemy zmierzyć foton tylko w jednym detektorze Zachowanie fotonu nieprzewidywalne!

7 Jak wytłumaczyć interferencję?Interferencja konstruktywna + =

8 Jak wytłumaczyć interferencję?Interferencja konstruktywna Interferencja destruktywna + + = =

9 Eksperyment z dwoma szczelinami

10 A co jeśli wysyłamy fotony pojedynczo?

11 Jeśli szedłby górą…

12 A jeśli dołem…

13 Jeśli raz tak raz tak, to powinno być…

14 A tymczasem jest…

15 Pojedynczy foton interferuje… sam ze sobąfoton przechodzi dwoma szczelinami naraz..

16 też jest dopuszczalnym stanemZasada superpozycji Jeśli pewne dopuszczalne stany cząstki to też jest dopuszczalnym stanem cząstka w kilku miejscach jednocześnie cząstka poruszająca się naraz z różnymi prędkościami atom w kilku stanach energetycznych naraz …

17 Nie tylko fotony… Luis de BroglieZasada superpozycji dotyczy wszystkich cząstek Wszystkie cząstki interferują… (Nobel 1929 ) elektron, atom, … Rekord (2011): interferencja molekuł organicznych ~400 atomów

18 Dlaczego tak trudno zobaczyć efekty kwantowe…detektor Jeśli coś mierzy którędy foton przeszedł…

19 Dlaczego tak trudno zobaczyć efekty kwantowe…detektor Jeśli coś mierzy którędy foton przeszedł… Informacja o drodze nie może wyciec do otoczenia! Inaczej następuje dekoherencja

20 Czy kot może być jednocześnie żywy i martwy..atom promieniotwórczy układ: atom + kot kot jednocześnie żywy i martwy… ale dekoherencja niszczy superpozycję i kot albo żywy albo martwy Kot Schroedingera Jeśli nie potrafimy zrobić kotów to może chociaż kotki…

21 NOBEL 2012 = ujarzmić dekoherencjęDavid Weinland Pełna kontrola stanu kwantowego kilku jonów w pułapce elektromagnetycznej Serge Haroche Kontrolowane oddziaływanie pojedynczych fotonów z pojedynczymi atomami

22 Złapać pojedynczy jon Pułapka Paula (Nobel 1989)Same statyczne pola elektryczne nie wystarczą do stworzenia stabilnego punktu równowagi jon + + +

23 Schłodzić pojedynczy jonStan podstawowy i wzbudzony jonu Częstotliwość światła laserowego mniejsza niż rezonansowa Można schłodzić do 100 mK pozniej lepszymi metodami do kilku mK Cohen-Tannoudji, Chu, Phillips (Nobel 1997) Dzięki efektowi Dopplera będzie częsciej pochłaniał fotony z przodu – będzie hamował (T ~ mK)

24 Jon w superpozycji… Jeśli odpowiednio wybrany stan wzbudzony czas życia nawet 1s ! Świecąc impulsem laserowym, można przygotować jon w stanie:

25 Zobaczyć pojedyncze jonyJeśli stan jonu |0>, jon zacznie świecić, jeśli |1> nie

26 Ruch w pułapce też kwantowy…Poziomy wewnętrzne jonu poziomy związane z ruchem w pułapce Jon w dwóch miejscach jednocześnie. Położenie splątane ze stanem wewnętrznym jonu! – kotek Schroedingera

27 Splątane stany wielu jonówdrgania jonów skorelowane dzięki odpychaniu elektrostatycznemu dzięki temu można splątać ich stany wewnętrzne! :

28 Komputery kwantowe 1 klasyczny bit może mieć wartości 0 albo 1 qubitKwantowy bit (qubit) może być jednocześnie i 0 i 1 Stan N qubitów Jednocześnie reprezentuje wiele różnch liczb – przetwarzanie równoległe Ewolucja układu kwantowego – obliczenie jednocześnie na 2N różnych danych wejściowych

29 Jeśli komputer kwantowy powstanieKwantowy algorytm Shora – łamie systemy kryptograficzne bazujące na kluczu publicznym (RSA) Secure Socket Layer Bazuje na w wymianie klucza metodą RSA htpps:// - już nie gwarantuje bezpieczeństwa

30 Pozostanie zaufać kwantom – kryptografia kwantowanie da się podejrzeć stanu kwantowego bez zaburzania go… Obecnie maksymalny zasięg: ok. 100km

31 Era inżynierii kwantowej„Prawo” Moore’a komputery kwantowe ~2050r praktyczna kryptografia kwantowa wcześniej precyzyjne zegary atomowe na pojedynczych jonach - już!

32 1929 – Luis de Broglie za odkrycie falowej natury elektronówMax Planck za odkrycie kwantów energii 192– Albert Einstein za odkrycie praw rządzących zjawiskiem fotoelektrycznym 1922 – Niels Bohr za badanie i opracowanie modelu budowy atomu 1929 – Luis de Broglie za odkrycie falowej natury elektronów 1932 – Werner Heisenberg za stworzenie mechaniki kwantowej 1933 – Erwin Schroedinger za odkrycie nowych form teorii atomowej Max Born za statystyczną interpretację funkcji falowej 1964 – Charles Townes za prace prowadzące do powstania lasera 1989 –Wolfgang Paul za rozwój technik pułapkowania jonów 1997 – Cohen-Tannoudji, Chu, Phillips za rozwój metod chłodzenia i pułapkowania atomów laserem 2012 – Serge Haroche, David Wineland za przełomowe eksperymentalne metody, które umożliwiają pomiar i manipulację pojedynczych układów kwantowych I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics. Richard Feynmann