Van Spin tot Kwantumcomputer Door Prof. Henri Verschelde.

Presentatie over: "Van Spin tot Kwantumcomputer Door Prof. Henri Verschelde."— Transcript van de presentatie:

1 Van Spin tot Kwantumcomputer Door Prof. Henri Verschelde

2 Het Feynman Twee Spleten Experiment
“We zullen een fenomeen onderzoeken dat onmogelijk, absoluut onmogelijk op een klassieke manier kan verklaard worden en dat het essentiele mysterie van de kwantummechanica is, In feite is dit het enige mysterie” Feynman Lectures, Vol III “Wanneer je geen apparaat hebt om te bepalen door welke spleet het deeltje gaat, kan je niet zeggen dat het ofwel door de ene spleet of door de andere gaat” Feynman, Character of Physical Law “Ik denk dat men gerust kan stellen dat niemand kwantummechanica begrijpt. Zeg niet altijd tegen jezelf: “Maar hoe kan het nu toch zo zijn?” Niemand begrijpt hoe het zo kan zijn.”

3 Licht=Fotonen=Deeltjes
Een gloeilamp van 60 Watt zendt ca. 1020= fotonen per seconde uit.

4 Licht=Golven: Interferentie

5 ??? Licht=Deeltje=Golf ???

6 Het Feynman Twee Spleten Experiment
LICHT=FOTON en ieder foton op zich wordt beschreven door een GOLF, die door beide spleten tegelijk gaat. HOE KAN DAT? : FEYNMAN: “Als je niet kijkt gedraagt het foton zich alsof het door beide spleten gaat.” MYSTERIE: Hoe kan een deeltje dat twee alternatieven heeft om ergens te geraken (langs spleet 1 OF langs spleet 2) toch verhinderd worden om er te geraken als beide alternatieven toegelaten worden?

7 It from (Qu)Bit “Het essentiele mysterie van de kwantummechanica is terug te voeren tot het fundamentele feit dat de Natuur alleen kan antwoorden met JA of NEEN” “Zolang de Natuur niet heeft geantwoord gedraagt ze zich alsof het antwoord JA en NEEN is” “Als de Natuur zwijgt bevat ze Kwantuminformatie. Als ze antwoordt geeft ze alleen Klassieke Informatie.” John Wheeler Vader van: Theorie der kernfissie (Wheeler-Bohr 1939) Black-Holes (1967) IT FROM BIT (1990)  Promotor van Richard Feynman

8 Alle Klassieke Informatie is een antwoord op Ja-Neenvragen
Morse Tekens Ja-Neen vraag “Is het een lang signaal?” A ● ━ N J B ━ ● ● ● J N N N C ━ ● ━ ● J N J N D ━ ● ● J N N E ● N F ● ● ━ ● N N J N

9 Binaire Notatie van Natuurlijke Getallen
Ja-Neenvraag  Binaire Notatie “Is de rest bij deling door 2 gelijk aan 0” J J J 1 J J N 2 J N J 3 J N N 4 N J J 5 N J N 6 N N J 7 N N N lees - 8 getallen  3 vragen  3 bits - 1 byte = 8 bits = 8 vragen - dvd: 4 gigabyte = Ja-Neenvragen

10 Klassieke Electronenspin
        Hoe kunnen we informatie opslaan op microscopische schaal?         Wat is de microscopische Ja-Neen vraag? Een electron kan op twee manieren rond de Z-as draaien -  Sz=1/2 -  Spin: up -   Sz=-1/2 - Spin: down Tegenwijzerzin Wijzerzin OPM: Sz=0 is niet mogelijk. Een electron draait ofwel in wijzers- ofwel in tegenwijzerszin en steeds even snel

11 Stern-Gerlachapparaat: De Kwantumbit Lezer
Microscopische Ja-Neenvraag (Kwantumvraag) Electrontoestand Kwantum-Binaire Notatie Is de spin up? |0〉 J |1〉 N

12 3-Qu-bit Electrongeheugen
Getal Electron toestand Qu-Binaire notatie Ja-Neen |000〉 J J J 1 |001〉 J J N 2 |010〉 J N J 3 |011〉 J N N 4 |100〉 N J J 5 |101〉 N J N 6 |110〉 N N J 7 |111〉 N N N

13 Electronenenspin langs X-as
Spin up |0〉 Sx=-1/2 Spin down |1〉 Dus twee Kwantumvragen aan een electron “ Ben je spin up?”  J |0〉= Stern-Gerlach langs Z-as N |1〉= “ Ben je spin up?”  J |0〉= Stern-Gerlach langs X-as N |1〉=

14 We vragen |0〉: “Ben je spin up?”
Klassiek: Een electron in |0〉 -toestand draait volledig langs de Z-as en dus totaal niet langs de X-as. Dus: Kwantummechanisch: IT FROM (QU)BIT De natuur kan alleen antwoorden met JA of NEEN Als we de rode vraag herhaaldelijk stellen dan is de gemiddelde Sx: 〈Sx〉 = ½ - ½ = 0

15 |0〉=|0〉+|1〉 |1〉=|0〉-|1〉

16 Interferentie met electronenspin
Interferentie: (A)+(B) |0〉 + |1〉 = (|0〉 + |1〉) + (|0〉 - |1〉) = 2|0〉 = |0〉

17 Kwantummysterie: In welke bundel (|0〉 of |1〉) bevindt zich het electron direct na SGx als we geen poging doen het te detecteren, als we de Natuur dus niet dwingen om met Ja (|0〉) of Neen (|1〉) te antwoorden?? Oplossing: Als de Natuur zwijgt is het antwoord Ja en Neen: |0〉 = |0〉 + |1〉 .

18 Kwantummysterie: In welke bundel (|0〉 of |1〉) bevindt zich het electron direct na SGx als we geen poging doen het te detecteren, als we de Natuur dus niet dwingen om met Ja (|0〉) of Neen (|1〉) te antwoorden?? Oplossing: Als de Natuur zwijgt is het antwoord Ja en Neen: |0〉 = |0〉 + |1〉 .

19 Kwantummysterie: In welke bundel (|0〉 of |1〉) bevindt zich het electron direct na SGx als we geen poging doen het te detecteren, als we de Natuur dus niet dwingen om met Ja (|0〉) of Neen (|1〉) te antwoorden?? Oplossing: Als de Natuur zwijgt is het antwoord Ja en Neen: |0〉 = |0〉 + |1〉 .

20 Kwantummysterie: In welke bundel (|0〉 of |1〉) bevindt zich het electron direct na SGx als we geen poging doen het te detecteren, als we de Natuur dus niet dwingen om met Ja (|0〉) of Neen (|1〉) te antwoorden?? Oplossing: Als de Natuur zwijgt is het antwoord Ja en Neen: |0〉 = |0〉 + |1〉 .

21 De Kwantumcomputer 2 Qubit computer: 3 Qubit computer:
N Qubit computer: Een N-qubit register bevat 2N getallen tegelijk. 32-bit kwantum PC: bevat ca getallen tegelijk |0〉|0〉 = (|0〉 + |1〉)(|0〉 + |1〉) = |0〉|0〉 + |0〉|1〉| + |1〉|0〉 + |1〉|1〉 = |00〉 + |01〉 + |10〉 + |11〉 Of = |0〉 + |1〉 + |2〉 + |3〉 |0〉|0〉|0〉 = (|0〉 + |1〉)(|0〉 + |1〉)(|0〉 + |1〉) = … |000〉 = |0〉 + |1〉 + |2〉 + |3〉 + |4〉 + |5〉 + |6〉 + |7〉 |00…0〉 =|0〉 + |1〉 + |2〉 + … + |2N-1〉

22 Technologisch toepassing van Kwantumcomputing
Kwantumparallellisme: Een berekening op een N-qubit computer gebeurt op 2N getallen tegelijk. Kwantum exponentiele speed-up: Algoritme van Shor voor factoriseren van getallen: o    factorisatie: 78=2 x 3 x 13 o    RSA 576 (174 cijfers): factorisatie: x

23 o RSA 1536: Klassiek algoritme 10 miljard jaar Shor  3 jaar
Klassiek algoritme 10 miljard jaar Shor  3 jaar

24 Kwantumcryptografie

25 Kwantumlogica: De kwantummijnendetector

26 Kwantumlogica: De kwantummijnendetector
Mijn niet op scherp: |0〉| 〉  |0〉| 〉 + |1〉| 〉 = (|0〉 + |1〉)| 〉 = |0〉| 〉  100% |0〉 en 0% |1〉

27 Kwantumlogica: De kwantummijnendetector
Mijn wel op scherp: |0〉| 〉  |0〉| 〉 + |1〉| 〉 = (|0〉 + |1〉)| 〉 + (|0〉 - |1〉)| 〉 = |0〉| 〉 + |1〉| 〉 + |0〉| 〉 - |1〉| 〉 zowel |0〉 als |1〉 (50-50) kans ¼ (25%) op: |1〉| 〉 (mijn op scherp/niet ontploft)

28 Interpretaties van de Kwantummechanika
?? Hoe kan de Natuur zowel Ja als Neen zeggen ??

29 1 Kopenhagen Interpretatie
Filosofie: Positivisme “Fysica handelt niet over de Natuur zoals ze is maar over onze kennis van de Natuur met al haar beperkingen” “We kunnen slechts zeggen dat de Natuur een bepaalde eigenschap vertoont als we die ook meten” |Y〉 ?: De golffunctie beschrijft alleen onze kennis van de Natuur. Interpretatie: De Natuur zegt NIET Ja en Neen maar ZWIJGT totdat we haar forceren (door meting, detectie) om te antwoorden met ofwel Ja ofwel Neen. COLLAPSE: |Y1〉=|0〉 50% |Y2〉=|1〉 50% Meting  |0〉 = |0〉 + |1〉 Natuur zwijgt Natuur antwoord

30 een met “Ja”, een met “Neen”
2 Many-Worlds interpretatie (Everett, De Witt, Feynman, Hawking, Weinberg, Gell-Mann, Deutsch)  Filosofie: Realisme “Fysica handelt over de Natuur zoals ze is” |Y〉 ?: De golffunctie beschrijft de totale objectieve realiteit van de Natuur. Mijn op scherp: |0〉| 〉  |0〉| 〉 + |1〉| 〉 Hoe kan een mijn tegelijk ontploffen en niet ontploffen? |0〉| 〉| 〉  |0〉| 〉| 〉 + |1〉| 〉| 〉 Interpretatie: Ja en Neen zijn even objectief. Bij meting splitst het universum in 2 Parallelle Universa een met “Ja”, een met “Neen”

31 Mijn niet op scherp: Geen splitsing
|0〉| 〉| 〉  |0〉| 〉| 〉 + |1〉| 〉| 〉 = (|0〉 + |1〉)| 〉| 〉 = |0〉| 〉| 〉 Mijn op scherp: splitsing in 4 parallelle universa |0〉| 〉| 〉  |0〉| 〉| 〉 + |1〉| 〉| 〉 = (|0〉 + |1〉)| 〉| 〉 + (|0〉 + |1〉)| 〉| 〉 = |0〉| 〉| 〉 + |1〉| 〉| 〉 + |0〉| 〉| 〉 - |1〉| 〉| 〉