Kvantová informatika pro komunikace v budoucnosti

Transkript

1 Kvantová informatika pro komunikace v budoucnosti Antonín Černoch Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů Společná laboratoř optiky University Palackého a Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR CZ.1.07/2.2.00/ A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

2 Obsah 1 Rozdíl mezi klasickou a kvantovou informací 2 Nosiče kvantové informace Spin, iont, kvantové tečky aj. Fotony 3 Kvantová kryptografie 4 Kvantové zpracování informace Kvantové výpočetní algoritmy Kvantová hradla A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

3 Obsah Rozdíl mezi klasickou a kvantovou informací 1 Rozdíl mezi klasickou a kvantovou informací 2 Nosiče kvantové informace Spin, iont, kvantové tečky aj. Fotony 3 Kvantová kryptografie 4 Kvantové zpracování informace Kvantové výpočetní algoritmy Kvantová hradla A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

4 Rozdíl mezi klasickou a kvantovou informací Klasická binární informace A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

5 Rozdíl mezi klasickou a kvantovou informací Kvantový bit = qubit Kvantový stav stavy 0 a 1 bázové stavy v 2D Hilbertově prostoru Princip superpozice ψ = α 0 + β 1 α 2 + β 2 = 1 Projekční měření měří se v určité bázi pravděpodobnostní výsledek jedním měřením nelze určit neznámý stav A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

6 Rozdíl mezi klasickou a kvantovou informací Vlastnosti kvantových stavů Měření změní kvantový stav No cloning theorem klasických bitů 1 qubit (θ = ) při interakce qubitů se realizují všechny možnosti (paralelita) pravděpodobnostní měření 1 qubit = 1 klasický bit Využití kvantové informace kryptografie počítání A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

7 Obsah Nosiče kvantové informace 1 Rozdíl mezi klasickou a kvantovou informací 2 Nosiče kvantové informace Spin, iont, kvantové tečky aj. Fotony 3 Kvantová kryptografie 4 Kvantové zpracování informace Kvantové výpočetní algoritmy Kvantová hradla A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

8 Nosiče kvantové informace Výběr vhodného média Potřebné vlastnosti příprava velkého počtu koherentních (nerozlišitelných) nosičů snadná manipulace s nosiči jednoduché nastavení kvantového stavu snadné měření kvantového stavu účinná interakce mezi nosiči navzájem dlouhá doba života Nežádoucí vlastnosti změna kvantového stavu v čase bez interakce a měření (dekoherence) A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

9 Nosiče kvantové informace Spin, iont, kvantové tečky aj. Kvantová informace nesená hmotnými částicemi Nukleární Magnetická Rezonance (NMR) spiny jader atomů v organických molekulách, pseudočisté stavy (více částic na jeden kvantový stav), rychlá dekoherence, vysoká chybovost Ionty v lineární Pauliho pasti elektronový stav iontů (např. 40 Ca + ) při teplotě mk, interakce jako kolektivní pohyb řízený pulzem z laseru, doba života v sekundách Excitony v kvantové tečce příprava, řízení interakce i čtení pomocí laserových pulzů Další Josephsnovy spoje, atomové spiny v Si atd. A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

10 Nosiče kvantové informace Fotony Kódování kvantové informace do fotonů Výhody malá dekoherence, snadná manipulace, levná realizace Nevýhody zdroje koherentních fotonů, foton-fotonová interakce, detekce a rozlišení počtu Možnosti polarizace prostorový mód časový mód intenzita spojité proměnné spektrum A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

11 Obsah Kvantová kryptografie 1 Rozdíl mezi klasickou a kvantovou informací 2 Nosiče kvantové informace Spin, iont, kvantové tečky aj. Fotony 3 Kvantová kryptografie 4 Kvantové zpracování informace Kvantové výpočetní algoritmy Kvantová hradla A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

12 Kvantová kryptografie BB84 Kvantová kryptografie Vermanova šifra náhodný klíč + zpráva = náhodná sekvence bitů šifrování zpráva klíč šifra dešifrování šifra klíč zpráva Bezpečný přenos klíče mezi Alicí a Bobem protokol BB84 A sekvence A výběr báze AB přenos B měřící báze B změřeno A zveřejní báze B zveřejní shody n a a n n n a a n n a a AB přenesené bity AB obětování bitů 1 0 AB zdílený klíč A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

13

14 Kvantová kryptografie Útok na kvantovou kryptografii Klonování Asymetrické fázově kovariantní 1 2 klonování A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

15 Kvantová kryptografie RNG Generátory náhodných čísel Praktické systém teoreticky deterministický, ale neznáme všechny vstupní parametry (ruleta), generátory založené na sledování šumu (např. elektrický šum na Zenerově diodě) Fundamentální náhodnost přímo fyzikálního jevu, který je jako náhodný popsán i fyzikálními zákony 1 mw 50 % T=R=1/2 T=R=1/2 2 mw 1 mw 50 % A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

16 Obsah Kvantové zpracování informace 1 Rozdíl mezi klasickou a kvantovou informací 2 Nosiče kvantové informace Spin, iont, kvantové tečky aj. Fotony 3 Kvantová kryptografie 4 Kvantové zpracování informace Kvantové výpočetní algoritmy Kvantová hradla A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

17 Kvantové zpracování informace Kvantové výpočetní algoritmy Kvantové výpočetní algoritmy Výpočetní složitost Klasicky exponenciálně s velikostí vstupu Kvantově lineárně s velikostí vstupu během interakce qubitů se mohou realizovat všechny možnosti měřením se jedna možnost vyprojektuje opakování interakce statistický výsledek co výpočet to jiné zařízení simulace chemických reakcí faktorizace součinu prvočísel Fourierova transformace... A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

18 Kvantová hradla Kvantové zpracování informace Kvantová hradla elementární prvky kvantových počítačů provádí základní logické operace NOT Hadamardova transformace CNOT A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

19 Kvantové zpracování informace Kvantová hradla Nelineární a lineární optika Nelineární optika v nelineárním médiu s malou účinností deterministické, tj. jednotková pravděpodobnost úspěchu Lineární optika děliče svazků, změna fáze pravděpodobnostní, tedy pravděpodobnost úspěchu p s < 1 řetězení hradel P s = p s 1 Knill, Laflamme, Milburn: p s 1 za cenu větší složitosti (pomocné qubity a podmíněná detekce) KLM stavy lepší účinnost hradel A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

20 Kvantové zpracování informace Návrh kvantového hradla Kvantová hradla A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22

21 Kvantove zpracova nı informace Kvantova hradla Experimenta lnı realizace kvantove ho hradla A. C ernoch (RCPTM/SLO) Kvantova informace / 22

22 Závěr Závěr kvantová kryptografie již komerčně dostupná integrace kvantových hradel do optických vlnovodů na optickém čipu jednostranné zaměření kvantových procesorů Děkuji za pozornost A. Černoch (RCPTM/SLO) Kvantová informace / 22