Feynman. Nanosvět & kvantové počítání. vizionář: Pavel Cejnar Ústav částicové a jaderné fyziky MFF UK Praha. Přednášky z moderní fyziky, MFF UK 2018

Podobné dokumenty
00/20. Kvantové počítání. Pavel Cejnar Ústav částicové a jaderné fyziky Matematicko-fyzikální fakulta UK, Praha IBM

Kvantové počítání. Pavel Cejnar. Program: 1) Historie 2) Principy 3) Příklady 4) Realizace. ÚČJF MFF UK Praha mff.cuni.cz.

Kvantová informatika pro komunikace v budoucnosti

Vlny. částice? nebo. Pavel Cejnar ÚČJF MFF UK FJDP 2018/19. Objevování kvantového světa

Kvantové provázání. Pavel Cejnar ÚČJF MFF UK Praha

Kvantová fyzika. Pavel Cejnar mff.cuni.cz. Jiří Dolejší mff.cuni.cz

Mikro a nano vrstvy. Technologie a vlastnosti tenkých vrstev, tenkovrstvé sensory - N444028

Kvantová fyzika. Pavel Cejnar mff.cuni.cz. Jiří Dolejší mff.cuni.cz

Pavel Cejnar. mff.cuni.cz. Ústav částicové a jaderné fyziky Matematicko-fyzikální fakulta University Karlovy v Praze

Od kvantové mechaniky k chemii

Kvantové algoritmy a bezpečnost. Václav Potoček

Podivuhodný grafen. Radek Kalousek a Jiří Spousta. Ústav fyzikálního inženýrství a CEITEC Vysoké učení technické v Brně. Čichnova

Elektronová mikroskopie SEM, TEM, AFM

VYPOUŠTĚNÍ KVANTOVÉHO DŽINA

I a II. Kvantová mechanika. JSF094 Akademický rok

EXKURZE DO NANOSVĚTA aneb Výlet za EM a SPM. Pracovní listy teoretická příprava

Proč elektronový mikroskop?

Úvod do kvantového počítání

Paradoxy kvantové mechaniky

Komerční výrobky pro kvantovou kryptografii

Přehled posledních experimentů skupiny kvantové a nelineární optiky v Olomouci

nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

Principy počítačů I Perspektivní technologie, měření výkonnosti a spolehlivost

Krystalografie a strukturní analýza

Věra Mansfeldová. Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR, v. v. i.

Fotonické nanostruktury (nanofotonika)

Fotonické nanostruktury (alias nanofotonika)

Fyzik potkává filmaře

EM, aneb TEM nebo SEM?

Difrakce elektronů v krystalech a zobrazení atomů

Vybrané podivnosti kvantové mechaniky

Optické kvantové zpracování informace

Lekce 4 Statistická termodynamika

Karel Lemr. web: Karel Lemr Fotonové páry 1 / 26

Elektronový obal atomu

Kvantová fyzika a náš svět

Jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů -> nukleony

školní vzdělávací program ŠKOLNÍ VZDĚLÁVACÍ PROGRAM DR. J. PEKAŘE V MLADÉ BOLESLAVI RVP G 8-leté gymnázium Fyzika II. Gymnázium Dr.

Metody charakterizace

Princip metody Transport částic Monte Carlo v praxi. Metoda Monte Carlo. pro transport částic. Václav Hanus. Koncepce informatické fyziky, FJFI ČVUT

Lasery RTG záření Fyzika pevných látek

Struktura atomu. Beránek Pavel, 1KŠPA

Úvod do nano a mikrotechnologií

Za hranice současné fyziky

Úvod do kvantového počítání

Fyzika atomového jádra

Nekovalentní interakce

Nekovalentní interakce

Fyzika IV. g( ) Vibrace jader atomů v krystalové mříži

Materiálový výzkum na ústavu anorganické chemie. Ondřej Jankovský

10/21/2013. K. Záruba. Chování a vlastnosti nanočástic ovlivňuje. velikost a tvar (distribuce) povrchové atomy, funkční skupiny porozita stabilita

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Plynové lasery. Plynové lasery většinou pracují v kontinuálním režimu.

Kvantová kryptografie

VLNOVÁ OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - 3. ročník

SLO/PGSZZ Státní doktorská zkouška Sdz Z/L. Povinně volitelné předměty 1 - jazyková průprava (statut bloku: B)

Úvod do fyziky tenkých vrstev a povrchů. Spektroskopie Augerových elektron (AES), elektronová mikrosonda, spektroskopie prahových potenciál

Co je litografie? - technologický proces sloužící pro vytváření jemných struktur (obzvláště mikrostruktur a nanostruktur)

Difrakce elektronů v krystalech, zobrazení atomů

VYUŽITÍ NANOMATERIÁLŮ K VÝROBĚ POTRAVIN SOUČASNÝ STAV V EU

1 Tepelné kapacity krystalů

Proč by se průmysl měl zabývat výzkumem nanomateriálů

NANOTECHNOLOGIE. pro začátečníky. České Budějovice

Laboratorní úloha č. 7 Difrakce na mikro-objektech

Nanotechnologie v medicíně. Předmět: Lékařská přístrojová technika

Fyzika IV. -ezv -e(z-zv) kov: valenční elektrony vodivostní elektrony. Elektronová struktura pevných látek model volných elektronů

Kvantové tečky. a jejich využití v bioanalýze. Jiří Kudr SPOLEČNĚ PRO VÝZKUM, ROZVOJ A INOVACE CZ/FMP.17A/0436

ATOM VÝVOJ PŘEDSTAV O SLOŽENÍ A STRUKTUŘE ATOMU

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: Lasery - druhy

Zdroje optického záření

Úvod do laserové techniky

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Řešení: Nejdříve musíme určit sílu, kterou působí kladka proti směru pohybu padajícího vědra a napíná tak lano. Moment síly otáčení kladky je:

Dualismus vln a částic

VAROVÁNÍ Přemýšlení o kvantové mechanice způsobuje nespavost

Mikroskopie se vzorkovací sondou. Pavel Matějka

VŠB Technical University of Ostrava, Faculty of Mechanical engineering, 17. Listopadu 15, Ostrava Poruba, Czech Republic

Přírodovědecká fakulta bude mít elektronový mikroskop

ÈÁST VII - K V A N T O V Á F Y Z I K A

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

F7030 Rentgenový rozptyl na tenkých vrstvách

Atomová fyzika - literatura

Mikroskopie rastrující sondy

Dynamika systémů s proměnnou hmotností. Vojtěch Patočka Univerzita Karlova - MFF

Některé poznatky z charakterizace nano železa. Marek Šváb Tereza Nováková Martina Müllerová Jan Šubrt Karel Závěta Eva Gregorová

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Inovace výuky prostřednictvím šablon pro SŠ

Analýza vrstev pomocí elektronové spektroskopie a podobných metod

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE II

Vazby v pevných látkách

Pozitronový mikroskop

Fyzikální vlastnosti materiálů FX001

2. Elektrotechnické materiály

Chování látek v nanorozměrech

Optika a nanostruktury na KFE FJFI

Diskutujte, jak široký bude pás spojený s fosforescencí versus fluorescencí. Udělejte odhad v cm -1.

Budoucnost mikroelektroniky ve hvězdách.... spintronika jednou z možných cest

Vlnová délka světla je cca 0,4 µm => rozlišovací schopnost cca. 0,2 µm 1000 x víc než oko

Fyzika I (mechanika a molekulová fyzika NOFY021)

Ultrazvuková defektoskopie. Vypracoval Jan Janský

Transkript:

Feynman 100 vizionář: Nanosvět & kvantové počítání Pavel Cejnar Ústav částicové a jaderné fyziky MFF UK Praha Přednášky z moderní fyziky, MFF UK 2018

Nano! (CC) Wikimedia US DOE

There is plenty of room at the bottom Feynmanova přednáška na banketu Americké fyzikální společnosti, Caltech, 29. prosince 1959 an invitation to enter a new field of physics

There is plenty of room at the bottom Feynmanova přednáška na banketu Americké fyzikální společnosti, Caltech, 29. prosince 1959 an invitation to enter a new field of physics Encyclopedia Brittanica na špendlíkové hlavičce: zmenšení 25 000 x (tečka 1000 atomů). Lze využít taky vnitřek materiálu. Odhad, že na světě je 24 miliónů knih 10 15 bitů. Při 100 atomech/bit by se všechny vešly do krychle (0,1 mm) 3. Biologické systémy jsou extrémně zhuštěné (v DNA 50 atomů/bit). Potřebujeme se na ně podívat lepší elektronové mikroskopy!

There is plenty of room at the bottom Feynmanova přednáška na banketu Americké fyzikální společnosti, Caltech, 29. prosince 1959 an invitation to enter a new field of physics Vypsal dvě ceny po $ 1000: 1. za přenesení informace 1 knižní stránky na plochu o straně 1/25000 x menší Cena vyplacena za 26 let Tomu Newmanovi (student Stanford Uni.) 1.stránka Dickensova Příběhu dvou měst vyleptaná elektronovým mikroskopem na čtverci (200 µm) 2

Elektronový mikroskop Vlnová délka elektronu λ = 2πħ p = 2πħc E 2 mc 2 2 ψ(x) E kin λ 1 ev 1.2 nm 10 ev 0.4 nm 100 ev 0.1 nm 1000 ev 0.04 nm 10000 ev 0.01 nm 100000 ev 0.004 nm Feynmanovské dráhy P ~ e is A/ħ + e is B/ħ 2 Schrödingerovské vlny P ~ ψ A ( x) + ψ B ( x) 2 A A B B

(CC) Wikimedia Elektronový mikroskop Různé verze elektronového mikroskopu: Transmisní (TEM): průchod elektronů tenkou vrstvou materiálu, sestrojen 1931, od 1933 lepší rozlišení než optické mikroskopy, dnes rozlišení až 0,1 nm Skenovací (SEM): svazek elektronů fokusován na 1 bod, sestrojen 1937, dnešní rozlišení lepší než 1 nm Skenovací transmisní (STEM): kombinace SEM+TEM, sestrojen 1938, zásadní upgrade 1970s, dnes rozlišení až 0,1 nm Skenovací tunelový (STM): využívá kvantového tunelového jevu, sestrojen 1981, rozlišení 0,1 nm horizontálně a 0,01 nm vertikálně

Elektronový mikroskop Kapky lepidla na povrchu post-it lístku (CC) Wikimedia

Elektronový mikroskop Zrnka různých pylů různých rostlin (CC) Wikimedia

Elektronový mikroskop Červené krvinky Central Microscopy Research Facility, University of Iowa

Elektronový mikroskop Chřipkové viry Foto: BSIP/UIG via Getty Images 100 nm

(CC) Wikimedia Elektronový mikroskop Nanodutina v diamantu SuperSTEM Lab. Manchester

Elektronový mikroskop Rozhraní zrn krystalu yttrio-hlinitého granátu. SuperSTEM Lab. Manchaster & GFZ Postdam

Elektronový mikroskop Sraženina obsahující Cu a Al v hliníkové slitině SuperSTEM Lab. Manchaster & Norwegian Tech. Nat. Univ. Trondheim

Elektronový mikroskop Zkřížená dvojvrstva MoS 2 (úhel 6.8 ) demonstrace vysokého rozlišení použité zobrazovací metody Yi Jiang et al., Nature 559, 343 (2018) 0.3 nm

Ale prosím vás, už jste nějaký atom někdy viděl? Ernst Mach (1838-1916)

Kvantový mikroskop Figure 1: A photoionization microscope provides direct observation of the electron orbital of a hydrogen atom. The atom is placed in an electric field EE and excited by laser pulses (shown in blue). The ionized electron can escape from the atom along direct and indirect trajectories with respect to the detector (shown on the far right). The phase difference between these trajectories leads to an interference pattern, which is magnified by an electrostatic lens. [Credit: APS/Alan Stonebraker]

There is plenty of room at the bottom Feynmanova přednáška na banketu Americké fyzikální společnosti, Caltech, 29. prosince 1959 Vypsal dvě ceny po $ 1000: nejmenší veš 2. za funkční elektromotor umístěný v kostce o straně max. 1/64 palce ( 0.4 mm) Cena vyplacena za méně než rok Williamu McLellanovi (student Caltechu) Manipulace na mikroskopické úrovni: Malé mechanismy mikroautomobil ( aby roztoči mohli jezdit sem a tam ), mikroroboti ( spolkni chirurga ) an invitation to enter a new field of physics Zmenšení elektrických obvodů procesory počítačů, zrychlení výpočtů, zvětšení kapacity, rozšíření možností např. na rozeznávání obličejů ( ten malý počítač, co nosím v hlavě, je schopen to dělat úplně snadno ) Manipulace s jednotlivými atomy syntéza sloučenin na přání Do hry vstupují zákony kvantového světa. Věci tam dole jsou jiné!

Manipulace s atomy 5 nm IBM (1989): 35 atomů Xe umístěných na Ni substrátu

Manipulace s atomy 5 nm IBM (1989): 35 atomů Xe umístěných na Ni substrátu IBM

Manipulace s atomy https://www.youtube.com/watch?v=oscx78-8-q0 IBM (2013): film A Boy and His Atom 65 molekul CO na Cu substrátu, 242 obrázků

Molekulární motory a další udělátka

The Royal Swedish Academy of Sciences Molekulární motory a další udělátka Molekulární výtah Molekulární elektromotor

The Royal Swedish Academy of Sciences Molekulární motory a další udělátka Molekulární výtah Molekulární motor Molekulární autíčko

Nanomateriály Fulleren C 60

Nanomateriály Grafen (CC) Wikimedia

Fyzika počítačů Počítače fyziky Feynman se vždy zajímal (kromě všeho ostatního) o výpočetní aspekty fyziky, náročnost výpočtů atd. (již za války se podílel na vývoji prapočítačů ) V 80. letech vypisuje pravidelný přednáškový kurs The Physics of Computation na Caltechu Přednáší zpočátku společně J. Hopfieldem & C. Meadem. Náplň: výpočetní složitost, teorie informace, fyzikální & fundamentální limity počítání 1981-2: těžké začátky, Feynman v nemocnici kvůli počínající rakovině, kurs není příliš úspěšný 1982-3: stabilizace obsahu 1983-4: Feynman poprvé vede celý kurs sám 1984-5, 1985-6: kurs nahráván 1988: měsíc před smrtí dává Feynman souhlas se vznikem knihy (publikována 1996)

Fyzika počítačů 1960: První úvahy o fyzikálních mezích miniaturizace výpočetních procesů 1961: Rolf Landauer ukázal, že každý ireverzibilní krok výpočtu produkuje entropii-teplo. Minimální teplo generované při vymazání 1 bitu informace: Q min = ln 2 k B T 1969: První návrh spinového počítače (kvantové vlastnosti chápány spíš jako omezení) 1973: Charles Benett předkládá koncept univerzálního reverzibilního počítače 1981: Edward Fredkin & Tommaso Toffoli demonstrují výpočetní reverzibilitu pomocí billiard ball computer Rolf Landauer (1927-1999) (CC) Wikimedia Charles Benett (*1934) (*1943) Edward Fredkin

Kvantový bit = qubit, Q-bit, Qbit, q-bit, qbit, kvabit Realizace elementární jednotky informace pomocí kvantového spinu částice, např. elektronu 0 1

Kvantový bit = qubit, Q-bit, Qbit, q-bit, qbit, kvabit Realizace elementární jednotky informace pomocí kvantového spinu částice, např. elektronu 0 1 Podle kvantové mechaniky je spin popsán vlnovou funkcí, ψ ψ, ψ ψ 0, ψ 1 C ψ 0 2 + ψ 1 2 = 1 Qbit nemá jednoznačný informační obsah. Jeho vlnová funkce umožňuje současné nabývání obou logických hodnot 0 a 1. Pravděpodobnosti jejich naměření: P ψ 0 = ψ 0 2 P ψ (1) = ψ 1 2

Simulace kvantových systémů

Simulace kvantových systémů Příklad: N kvantových spinů Počet bázových konfigurací typu 1 2 3 N je: d = 2 N (exponenciálně roste s N)

Simulace kvantových systémů Příklad: N kvantových spinů i j Počet bázových konfigurací typu 1 2 3 N je: d = 2 N (exponenciálně roste s N) Dva nebo více spinů se mohou vyskytnout v kvantově provázaném stavu, kdy neexistují vlnové funkce jednotlivých spinů ale jen vlnová funkce celé skupiny: ψ ij ψ ij i j, ψ ij i j, ψ ij i j, ψ ij i j např. 0 ψ ij 1 2 1 2 ψ i ψ i i, ψ i i ψ j ψ j j, ψ j j Právě díky takovýmto stavům se kvantová mechanika nedá reprezentovat lokální teorií klasického typu (důsledek tzv. Bellových nerovností z roku 1964). 0

Simulace kvantových systémů John Bell (1928-90) ukázal, že popis dvojice maximálně provázaných částic (myšlenkový experiment Einsteina- Podolského-Rosena z roku 1935) pomocí libovolné lokální teorie klasického typu (lokální teorie se skrytými parametry) implikuje splnění jistých nerovností, které kvantová mechanika porušuje. Pozdější opakované a zdokonalované experimenty daly za pravdu kvantové mechanice

Simulace kvantových systémů Paralelní simulace kvantového systému klasickým počítačem by vyžadovala nelokální interakce všech komponent Simulace musí být prováděna pomocí jiného kvantového systému idea univerzálního kvantového simulátoru Kvantové systémy se možná dají využít i k řešení těžkých nefyzikálních problémů (pokud problém lze vhodně namapovat na kvantovou mechaniku) m John Bell (1928-90) ukázal, že popis dvojice maximálně provázaných částic (myšlenkový experiment Einsteina- Podolského-Rosena z roku 1935) pomocí libovolné lokální teorie klasického typu (lokální teorie se skrytými parametry) implikuje splnění jistých nerovností, které kvantová mechanika porušuje. Pozdější opakované a zdokonalované experimenty daly za pravdu kvantové mechanice

L n /L(2) Faktorizace! Číslo N je součin 2 velkých prvočísel N = P Q Problém: Pro zadané N najdi P a Q Používá se při šifrování s veřejně dostupným klíčem Nejlepší klasický algoritmus má počet kroků 3 64 9 n log 10 2 n L(n) e n = počet dec. cifer n

L n /L(2) Faktorizace! Číslo N je součin 2 velkých prvočísel N = P Q Problém: Pro zadané N najdi P a Q Používá se při šifrování s veřejně dostupným klíčem Nejlepší klasický algoritmus má počet kroků L(n) e n = počet dec. cifer V roce 1994 byl objeven kvantový algoritmus L n n 2 Kvantový Shorův algoritmus pro faktorizaci čísla 15 (= 3 5) na počítači s 5 Qbity {ψ 0, ψ 1 } {1,0} 3 64 9 n log 10 2 n n Peter Shor (*1959) log 10 (n) log 10 (log 10 n) {1,0} {1,0} {1,0} {1,0} arxiv:1804.03719 [cs.et]

Kvantové algoritmy Kvantové algoritmy jsou založeny na jevu interference Obrázek: Fabrizio Logiurato/Google Earth

Kvantové algoritmy Příklad: Deutsch-Jozsův algoritmus pro 1-bitovou funkci Jediným voláním funkce jsme schopni zjistit její globální vlastnost! x = f (x) = 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 const = const Hademardova transf. 1,0 {+ 1 2,+ 1 2 } 0,1 {+ 1 2, 1 2 } ψ 1 = {1,0} 1 H H 0 => f const 1 => f = const ψ 2 = {1,0} 2 Not transformace 1,0 {0,1} 0,1 {1,0} H f Výpočet funkce 1,0 1 1,0 2 1,0 1 f(0) 2 0,1 1 1,0 2 0,1 1 f(1) 2

Problém dekoherence Kvantové interferenční chování je citlivě závislé na interakcích s dalšími kvantovými objekty (vnějším prostředím, neměřenými stupni volnosti ) Objekt, např. atom, který monitoruje dráhu částice uvnitř přístroje (z jeho kvantového stavu se dá jednoznačně zjistit, kterou ze štěrbin částice prošla) A A B B

Možné realizace 1996: Seth Lloyd návrat k myšlence kvantového simulátoru: demonstrace kvantových principů, možné praktické využití v mnohočásticové fyzice (mřížové systémy, velké molekuly ) Atomy Ionty Elektrony optické mříže lineární řetízky kvantové tečky 1D dutiny 2D pasti soustavy supravodivých obvodů (SQUIDů) 2D dutiny (f) coulombické krystaly elektrony na povrchu kapalného He Georgescu, Ashhab, Nori, Rev. Mod. Phys. 86 (2014) 153

D Wave Možné realizace 1996: Seth Lloyd návrat k myšlence kvantového simulátoru: demonstrace kvantových principů, možné praktické využití v mnohočásticové fyzice (mřížové systémy, velké molekuly ) Atomy Ionty Elektrony optické mříže lineární řetízky kvantové tečky 1D dutiny T~15 mk R~μm, I~μA 2D pasti soustavy supravodivých obvodů (SQUIDů) Nb 2D dutiny (f) coulombické krystaly elektrony na povrchu kapalného He Georgescu, Ashhab, Nori, Rev. Mod. Phys. 86 (2014) 153

Intel IBM IBM Q

D Wave Piš, barde, střádej. Zdroj: https://www.dwavesys.com/

Splní se Feynmanův sen?