Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković
description
Transcript of Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković
![Page 1: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/1.jpg)
Kapitalna oprema:
Digitalni spektrometarski sistem s CCD kamerom za istraživanja u
kvantnoj informatici-
program NT AMOPDr. sc. Mario Stipčević21.03.2007. Institut Ruđer Bošković
![Page 2: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/2.jpg)
Kvantna informacija
Novija istraživanja u kvantnoj fizici ukazala su na to da kvantnisistemi sadrže mnogo više informacije nego klasični analogonizahvaljujući principu superpozicije stanja.
To je dovelo do fundamentalnog otkrića -> kvantne informacije
Primjene:• Nove zakonitosti i novi testovi kvantne teorije• Kvantna kriptografija (blisko ICT tehnologijama)• Teleportacija kvantnog stanja• Generatori nedeterminističkih slučajnih brojeva• Kvantna računala, kvantni obnavljači i kvantne memorije• Jednomolekularna analitička mikroskopija putem “quantum dots”, itd.
Klasična informacija može se kopirati u bezbroj identičnih kopija – kvantna informacija se ne može kopirati – no cloning teorem
![Page 3: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/3.jpg)
Entanglement
Osnovni alat za proučavanje kvantne informacije.
Svojstvo dvočestične valne funkcije da mjerenjem nekogsvojstva jedne čestice utječemo na rezultat mjerenja togsvojstva druge čestice, nelokalno. Interesantni su maksimalnospregnuti sistemi (npr. EPR parovi).
U novije doba radi se najviše s fotonima. Njih je lako:- proizvesti- manipulirati- transportirati na veliku udaljenost- Detektirati (Q.E. Do 95%)- i, naravno, spregnuti (Engl. entangle).
![Page 4: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/4.jpg)
Entanglement s fotonima
1995. P.G.Kwiat, H. Weinfurter et al. demonstriraju uređaj za obilatu proizvodnju polarizacijski spregnutih FOTONA naprincipu “parametarskog cijepanja” fotona u nelinearnomkristalu -> intenziviranje istraživanja kvantne informacije
Spektar nepogodan za fotomultiplikatore, koriste se poluvodički
detektori, Si, InGaAs
![Page 5: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/5.jpg)
1982. Formuliran je “no cloning teorem” koji kaže da QMne dopušta kloniranje/multipliciranje nepoznatog kvantnogstanja nekog sistema (npr. fotona nepoznate transverzal-ne polarizacije).
Taj teorem povezuje kvantnu fiziku s jednom novom vrstom teorije informacija - kvantnom informatikom.
Istovemeno se počinju javljati ideje o mogućem odgovoruna Feynmanovo pitanje: ako je Turingovim računalimateško (sporo) računati neke kvantne sisteme, može likvantna mehanika omogućiti brža/drugačija računala ?
Kvantna informatika
![Page 6: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/6.jpg)
Kvantna kriptografija
1985. H.C.Bennett (IBM) i G. Brassard (UniMontreal)objavili su jedan “štos” o tome kako kvantna mehanikamože poslužiti za ostvarenje kriptografski sigurnog
prijenosaporuka/podataka. Protokol je nazvan BB84.
1991. Ostvaren je prvi uređaj koji je utjelovio BB84
Kvantna kriptografija je prvi eksperiment zasnovan nakvantnoj informatici i ujedno prvi primjer kvantnekomunikacije. Također i prvi uređaj QI koji je komercijaliziran.
1992. Eckert modificira BB84 i uvodi (teorijski) uređaj zaentanglement (“kvantno sprezanje”)
![Page 7: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/7.jpg)
Kvantna kriptografija
Svrha kvantne kriptografije je da Alice i Bob uspostave generiraju identični tajni ključ kojim mogu javni kanal pretvoriti u privatni. Protokol uključuje parove kvantno spregnutih fotona.
![Page 8: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/8.jpg)
Kvantna teleportacijaOriginalna valna funkcija |Ψ> rekreira se na udaljenoj lokaciji uz pomoć jednog EPR para i dva bita klasične informacije, no originalna valna funkcija je uništena → zakon sačuvanja kvantne informacije.
Za ostvarenje nužan je kvantno spregnuti par (fotona).
![Page 9: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/9.jpg)
![Page 10: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/10.jpg)
Kvantna računala
Nakon razvoja teorije kodova i “fault tolerant computing”,počela se intenzivno razvijati grana kvantne fizike kojaizučava kvantna računala i moguće algoritme koje onamogu “brzo” riješiti. Za sada su to:
1. Sortiranje (Groverov algoritam)2. Rastav cijelih brojeva na proste (prim) faktore3. Računanje diskretnih logaritama4. ??
Osnovni alat za izučavanje kvantne informacije su dvo ivišečestično kvantno spregnuti sistemi
![Page 11: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/11.jpg)
Fotonska CNOT vrata,
dovoljna za kvantno
računanje
Centralna komponenta je
uređaj za sprezanje para fotona
M. Pavičić, 2004
Zeilinger et al, 2004
![Page 12: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/12.jpg)
Eksperimentalno sprezanje fotona
![Page 13: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/13.jpg)
Spektar spregnutih fotona
![Page 14: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/14.jpg)
Simulacija geometrije i spektra
![Page 15: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/15.jpg)
Hlađena CCD kameraS USB2 priključkomANDOR DU4201024x512 pixela
QE
Spektar obične žarulje
Spektrograf ANDOR 303i•250-1100nm•triple grating turret•auto alignment•ovisno o rešetki rezolucija <50A
![Page 16: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/16.jpg)
LinearStage
Spherical Mirror
Spectrograph
3
2
1
Sample
NOPA;490 nm,17 fs
Pulse Shaper
32
Time
1
Experimental Setup
Projekt: Femtosekundna laserska fizika atoma i molekula
0 100 200 300 400 500 600470
480
490
500
510
520
530
540
Time Delay(fs)
Wa
ve
len
gth
(n
m)
2D spektar
![Page 17: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/17.jpg)
O projektuProjekt je interdisciplinaran:
Fizika, teorija informacija, elektronika, laserske metode,
kvantna optika, numeričke simulacije
Uključeni su:
• IRB Zavod za eksperimentalnu fiziku
• IRB Zavod za elektroniku
• Institut za fiziku
• Građevinski fakultet
• LMU Muenchen (DAAD projekt 2007-2008)
Zainteresirani za suradnju:
• Stomatološki fakultet, IRB LAIR, ...
![Page 18: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/18.jpg)
Svrha i ciljevi projektaSvrha projekta su fundamentalna istraživanja u području
kvantne komunikacije i kvantne informatike:
1. Kvantna kriptografija – cilj je izgraditi uređaj i unaprijediti posto-jeće razumijevanje, domet i brzinu generiranja tajnog ključa
2. Unaprijeđenje protokola za kvantnu kriptografiju
3. Exp. i theor. istraživanje novih primitiva poput kvantnog potpisa, kvantnih memorija, kvantnih logičkih vrata
4. Novi načini za postizanje efikasnog entanglementa, multiparticle entanglement
5. Kvantni generatori slučajnih brojeva
6. Čvrstostanljski (silicijski) detektora fotona (SPAD) i razvoj novih sklopova za aktivni quenching
7. Tehnike mjerenja apsolutne kvantne efikasnosti (SPAD)
8. Single photon gun
9. Kvantna teleportacija
![Page 19: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/19.jpg)
Ljudi na projektu
Projekt se oslanja na 4 iskusna istraživača:
1. Branka Medved, dr. sc. IRB, Zavod za elektroniku2. Hrvoje Skenderović, dr. sc., IFS3. Mladen Pavičić, dr. sc. prof., PMF, Gradjevinski faks4. Mario Stipčević, dr. sc, IRB, Zavod za eksperimentalnu fiziku
Vanjski suradnik: prof. H. Weinfurter, LMU Muenchen
Namjera:Tražimo jednog doktoranda odmah (novak, s faksa na posao,
Bolonja ...)
![Page 20: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/20.jpg)
Metode
Tri su bitne sastavnice kvantne optike:
• Izvori svjetla CW laseri, pulsni laseri, laserske diode, LED diode
• Optičke komponente (nelinearni kristali, dvolomci, polarizatori, filteri, lambda pločice, leće, fiber optic tehnologija)
• Detektori pojedinačnih fotona (Si APD, PM cijevi)
Kompjuterizirani eksperimenti, kompjuterski upravljivamjerna tehnika, razvoj specifičnog elektroničkogsklopovlja vlastit ili u suradnji s malim tvrtkama
![Page 21: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/21.jpg)
Postojeći prostor, oprema i suradnja
• Suradnja sa Zavodom za elektroniku. Na raspolaganju su nam 2 laboratorija (u ZEF i ZEL).
• Suradnja s grupom prof. G. Pichlera (IFS)
• Međunrodna suradnja u okviru odobrenog DAAD projekta 2007-2008 s grupom prof. H. Weinfurtera, LMU Muenchen
• Opremljeni elektronički lab na IRB: NIM elektronička mjerna tehnologija (programabilni) generatori impulsa, timeri, digitalni osciloskop, izvori visokog i niskog napona, strujni izvori, AVO mjerna oprema, elektroničke komponente
![Page 22: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/22.jpg)
Potrebna kapitalna oprema
Hlađena CCD kamera (-80..-100 C) sa Spektrometrom
(600-1000nm, rezolucija ~1nm) i CW laserom snage
60-100mW @405-420nm, a u svrhu:
• teorijsko i eksperimentalno proučavanje i unapređenje metoda kvantnog sprezanja u nelinearnim kristalima
• za brzu vizualizaciju prostorne distribucije sprezanja
• za prostorni alignment snopova spregnutih fotona s optičkim vlaknima
![Page 23: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/23.jpg)
Dosadašnja eksperimentalna istraživanja
• Kvantni generator slučajnih brojeva: ključan element za
kvantnu kriptografiju, kvantne memorije i kvantno računanje
![Page 24: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/24.jpg)
• Radimo na konstrukciji originalnog sklopa za active quenching u poluvodičkim detektorima fotona
![Page 25: Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022081501/56814f91550346895dbd4d19/html5/thumbnails/25.jpg)
Moguća primjena istraživanja
Spektar primjena je vrlo širok, a primjene slijede vrlo izravno
iz samih eksperimenata:
• Kriptografija i informatička sigurnost (e-plaćanje, e-država, tajne službe, banke, korporacije....)
• APD tehnologija: spektrofotometrija, jednomolekularne analitičke metode, brzo sekvenciranje DNA, fundamentalna istraživanja u kvantnoj fizici, fizici čestica, astrofizici.
• Razvoj APD je vrlo intenzivan. Npr. HAMAMATSU još uvijek službeno ne proizvodi (ali istražuje !) SPAD diode => šansa za suradnju s tvrtkama koje razvijaju APD-ove (Švic)
• Kvantna računala kao buduća generacija superračunala