Računala budućnosti

Doc.dr.sc. Marinko JablanSveučilište u Zagrebu

Zadar, 09.10.2015.

NEFELPRO projekt: Nelinearna kvantna optika u grafenu

Sažetak

Svjetlosna računala

Plazmonika u grafenu

Kvantna računala

Svjetlosna računala

Nobelova nagrada iz fizike (2009)

Za potresna otkrića prijenosa svjetlosti u optičkim vlaknima

Kao 2009

Optika: 100 000 GHz

Spora elektronika

Kako ubrzati računala?

Elektronika: 1 GHz

Optika: 100 000 GHz

Svjetlosna računala?

Tranzistor

Tranzistor = Transfer resistor

Vakuumska cijev

ENIAC 1946

Tranzistor

Point contact transistor

Shockley Bardeen Brattain 1956

Tranzistor

• Bipolar junction transitor

• Field-effect transistor Junction FET Insulated gate FET Metal-oxide-semiconductor FET

Shockley transistor Avalanche transistor Insulated-gate BJT

• IBM transistor od ugljikovih nano-cijevčica

Svjetlosni tranzistor?

YodaGrof Dooku

Nelinearna optika

Potrebni snažni laseri

V/m 1054

11

2

0

r

eEat

Produkcija viših harmonika

Plazmonika u grafenu

Svjetlosni tranzistor?

Difrakcijska granica

Optički mikroskopi

Optički valovodi

Lom svjetlosti

Indeks loma: n

Brzina svjetlosti:

Valna duljina: n/

nc /

Totalna unutarnja refleksija

Evanescentni valovi

Bežični prijenos energije

???

Superleće

Valna duljina: n/

Superleće

Betzig, Science 251, 1468 (1991)

SEM Daleko polje Blisko polje

μm 1

Nobelova nagrada iz kemije (2014)

Za razvoj super-razlučive fluorescentne mikroskopije

2014Betzig Hell MoernerLizosom

Superleće u bliskom polju

2014Betzig

Betzig, Science 257, 189 (1992)

Superleće u dalekom polju

2014Betzig Betzig, Science 313, 1642 (2006)

Lokalizacija jedne molekule

Bežični prijenos energije

WiTricity

Bežični prijenos energije (2)

Nikola Tesla

(Bežični) prijenos energije kroz prirodni medij

The Electrical World and Engineer, 1904

The earth was found to be, literally, alive with electrical vibrations……this planet, is to electric currents virtually no more than a smallmetal ball…

…attesting the high degree of conductivity which the atmosphereattains under the influence of the immense electrical stresses……it has long been known or surmised that atmospheric strata at great attidudes…shoud be, in a measure conducting;…to cause thereby a current to traverse elevated strata of the airbetween the point of generation and a distant point at which theenergy is to be recieved and utilized.

System of transmission of electrical energy, patent 645,576 (1900)

(Bežični) prijenos energije kroz prirodni medij

Nikola Tesla

Wardenclyffe toranj

Fotonički (svjetlosni) kristali

Indeks loma se mijenja periodički u prostoru

Savršeno zrcalo od prozirnog materijala

Fotonički (svjetlosni) kristali

Anti-reflektivni premazi

Fotonički procijep Yablonovite

Yablonovich

Valovi svjetlosti / valovi materije

μm 1

Poluvodići za svjetlost

Harry Potter

Metamaterijali

Metamaterijali Mikrovalovi, IC Vidljiva svjetlost?

Plašt nevidljivosti

Plazmonika u grafenu

BostonMIT

Nobelova nagrada iz fizike (2010)

Za potresna otkrića u vezi dvo-dimenzionalnog materijala grafena

Geim Novoselov 2010

Grafen

Plazmonika u grafenu

Oscilacije elektrona u grafenu lomedifrakcijsku granicu za faktor 100

SoljačićBuljan

Jablan, Buljan, Soljačić, PRB 80, 245435 (2009)

• Fei, Nature Nanotech. 8, 821 (2013)

Recikliranje topline

Termo – Foto – Voltaici

Ilić, Jablan, Joannopoulos, Celanović, Soljačić, Optics Express 20, A366 (2012).

Evanescentni valovi kao kanali vođenja topline u bliskom polju

Plazmoni u grafenu za TFV

Laser zvuka u grafenu?

Nelinearna optika u grafenu

Barcelona ICFO

Nelinearna optika u grafenu

V/m 105 11atE V/m 102 7grE

2

04 r

eE

Atom Grafen

Električno polje:

Nelinearna kvanta optika u grafenu

Einstein 1921 Foto-električni efekt

Nobelova nagrada iz fizike (1921)

Za doprinos teorijskoj fizici te posebno za otkriće zakona foto-električnog efekta

QE

s J 10 34

Nelinearna kvantna optika u grafenu

Fotonska blokada

Jablan, Chang, PRL 114, 236801 (2015)

Kvantni tranzistor?

Kvantna računala

Kvantna fizika

Nitko ne razumije kvantnu fiziku Šuti i računaj

Mogu biti u dva stanja (0 i 1) u isto vrijeme

Mogu biti na dva mjesta u isto vrijeme

Kvantna fizikaFeynman

Klasična računala (N bita):

Kvantna računala (N Qbita):

1...011

0

1...

0

1

0

1

0

1stanja 2N

Eksponencijalno ubrzanje računanja

Wilczek

Schrodingerova mačka

Schrodinger

Nobelova nagrada iz fizike (2012)

Za potresne eksperimentalne metode koje su omogućile mjerenje i manipulaciju individualnih kvantnih sistema

2012WinelandHarocheSchrodingerova mačka

Nobelova nagrada iz fizike (2012)

Q = 1000 000 000

Svjetlosna Schrodingerova mačka

Kvantni simulatori

Feynman

Feynman, Simulating Physics with computers International Journal of Theoretical Physics 21 (1982)

Teško je simulirati kvantni sustav na klasičnom računalu

Kompleks proteina za žetvu svjetlosti u fotosintezi

Supravodljivost navisokim temperaturama

Simulacija kvantnog sustava na kvantnom računalu

Big data

25. rujna

Igor Mekterović (FER)

Kvantna računala

Kvantni algoritam pretraživanja:

Grover

Klasični algoritam pretraživanja: )(NO

)( NO

Kvantni sustav može biti u više stanja te istovremeno pregledati više podataka

Grover, A fast quantum mechanical algorithm for database search, Proceedings, 28th Anuual ACM Symposium on the Theory of Computing (1996)

Kvantna računala

Faktorizacija na proste brojeve

Shor

Bankovne šifre

Kompliciran problem za klasična računala?

Efikasni kvantni algoritam:

Shor, SIAM J. Comput. 26,1484 (1997).

Teorija brojeva i kriptografija

Akademik Andrej Dujella

Enigma 23. listopada u 18h

nxxe e

K mod)(

12 22 yx

GgggG ,...,, 2

Kvantna računala

Qbit = supravodljivi Josephsonov spoj

Kvantno adijabatsko računalo(Kvantno kaljenje)

Optimizacijski problem (traži minimum funkcije) Ne radi ništa bolje od klasičnih računala? Bankovi računi sigurni?

Hvala vam na pažnji!

Valovi

Brzina vala:

Val: Period titranja: Valna duljina:

Frekvencija (vremenska) : Frekvencija (prostorna) :

T /2K

T/2

KTc //

Disperzijska relacija

K

Kompleksni brojevi

Kxcos

x

KxiKxeiKx sincos

Eulerova formula

Euler

iKxeKx Recos

Provjera

Eksponencijalna funkcija:

Trigonometrijske funkcije:

yxyx eee

yxyxyx sinsincoscos)cos(

Vektori

rKierK Recos

Valni vektor: zKyKxKK zyxˆˆˆ

Valni broj: 222

zzx KKKKK

Val u prostoru:

K/2

Brzina vala: Kc /

Valna duljina:

Lom svjetlosti

xK

Brzina svjetlosti: c/n

???zrak staklo

Staklo:ziKxiK zxe

x

z

Zrak?:zxiKziKxiK

eee xzx 'cK x /

iKcK xz 222' / Evanescentni val