Den Quanten auf der Spur von der Grundlagenforschung zum Quantencomputer

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1 Fakultät für Physik Universität Wien Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Österreichische Akademie der Wissenschaften Den Quanten auf der Spur von der Grundlagenforschung zum Quantencomputer Dr. Johannes Kofler Ars Electronica Center Linz, 25. August 2011

2 Überblick Einleitung Quantenphysikalische Grundbegriffe Superposition & Verschränkung Bellsche Ungleichung Quantenkryptographie Funktionsweise Realisierungen Quantencomputer Grundlagen Algorithmen & Implementierungen Ausblick

3 Entwarnung Ich denke, ich kann getrost behaupten, dass niemand Quantenmechanik versteht. Richard Feynman (Physik-Nobelpreis 1965 für eine der Formulierungen der Quantenmechanik)

4 Physik und Technik Klassische Physik Quantenphysik (ca. 30% des BIP der USA)

5 Zwei verschiedene Welten Klassische Physik Quantenphysik Kontinuität Quantisierung Newtonsche und Maxwellsche Gesetze Schrödinger- Gleichung Definitive Zustände Determinismus Superposition & Verschränkung Zufall Makro-Welt Mikro-Welt Isaac Newton ( ) Ludwig Boltzmann ( ) Albert Einstein ( ) Niels Bohr ( ) Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg ( )

6 Licht besteht aus Christiaan Huygens ( ) Isaac Newton ( ) James Clerk Maxwell ( ) Albert Einstein ( ) Wellen Teilchen elektromagnetischen Wellen Quanten

7 Elektromagnetische Wellen - Weißes Licht kann in Farben aufgespalten werden - Licht ist nur ein kleiner Teil des ganzen elektromagnetischen Spektrums Quelle:

8 Polarisation - Elektrischer Feldvektor schwingt rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung - Polarisatoren filtern eine bestimmte Polarisation (Schwingungsrichtung) heraus; zb. 3D-Fernsehen Quelle:

9 Klassischer Zufall Roulette Wetter Zufall ist nur subjektiv im Prinzip alles vorherberechenbar (deterministisches Chaos)

10 Quantenmechanischer Zufall Radioaktiver Zerfall Photon auf Strahlteiler Vorhersage für das Einzelereignis offenbar unmöglich Zufall ist objektiv

11 Photonen am Strahlteiler 50/50-Strahlteiler Detektor 1 Es klickt immer nur ein Detektor! Detektor 2

12 Das Doppelspalt-Experiment Klassische Physik Quantenphysik Teilchen (zb. Sandkörner) Wellen (zb. Schall, Wasser) Quanten (Elektronen, Atome, Moleküle, Photonen, ) Quelle:

13 Welle-Teilchen-Dualismus Materie-Teilchen: Licht-Teilchen: Elektronen, Atome, Moleküle Photonen Quanten interferieren (machen Streifen) wie Wellen, obwohl sie als einzelne Punkte auf den Schirm treffen (Welle-Teilchen-Dualismus) Superposition (Überlagerung): ψ = linker Spalt + rechter Spalt

14 Makroskopische Superpositionen Möglich? Oder unmöglich?

15 Quanten-Verschränkung Superposition: ψ = + Alice Bob Basis: Resultat Basis: Resultat UV- Laser Nichtlinearer Kristall Vertikal polarisiert A B Verschränkung (Mehrteilcheneigenschaft): Φ AB = AB + AB = AB + AB / : / : / : / : / : / : / : / : / : / : / : / : / : / : / : / : Horizontal polarisiert lokal: zufällige Resultate global: perfekte Korrelation

16 Quanten-Verschränkung Maximales Wissen über ein zusammengesetztes System bedeutet nicht notwendigerweise maximales Wissen über alle seine Teile, nicht einmal dann, wenn diese gänzlich voneinander getrennt sind und sich im Moment überhaupt nicht beeinflussen. (1935) Bei verschränkten Teilchen sind die gemeinsamen Eigenschaften perfekt definiert, die Einzeleigenschaften aber vollkommen unbestimmt Erst bei der Messung manifestieren sich die Einzeleigenschaften Erwin Schrödinger

17 Lokaler Realismus Realismus: Lokalität: Objekte haben ihre Eigenschaften unabhängig von der Messung Messungen an einem Ort beeinflussen nicht die (gleichzeitigen) Messungen an einem anderen Alice und Bob sind in zwei entfernten Laboratorien, bekommen Teilchen (zb. Würfel) und messen jeweils eine von zwei Größen (zb. Farbe und Parität) Messung 1: Farbe Resultat: A 1 (Alice), B 1 (Bob) Messung 2: Parität Resultat: A 2 (Alice), B 2 (Bob) Mögliche Werte: +1 (gerade bzw. rot) 1 (ungerade bzw. schwarz) Alice Bob A 1 (B 1 + B 2 ) + A 2 (B 1 B 2 ) = ±2 A 1 B 1 + A 1 B 2 + A 2 B 1 A 2 B 2 = ±2 für alle lokal realistischen (= klassischen) Theorien A 1 B 1 + A 1 B 2 + A 2 B 1 A 2 B 2 2

18 Lokaler Realismus Mit dem Quantenzustand Φ AB = AB + AB kann die linke Seite der Bellschen Ungleichung (1964) A 1 B 1 + A 1 B 2 + A 2 B 1 A 2 B 2 2 gleich 2 2 2,83 werden. Damit: 2,83 2. A 2 B 2 A B 1 1 John S. Bell Fazit: Quantenmechanisch verschränkte Zustände verletzen die Bellsche Ungleichung und können daher nicht durch lokalen Realismus (dh. klassische Physik) beschrieben werden (Albert Einstein: Spukhafte Fernwirkung ) Experimentell hundertfach bestätigt (Photonen, Atome etc).

19 Was ist die Aufgabe der Physik? Albert Einstein ( ) Niels Bohr ( ) Was ist die Natur? Was kann über die Natur gesagt werden?

20 Kryptographie Symmetrische Verschlüsselungsverfahren Klartext Verschlüsselung Geheimtext Entschlüsselung Klartext Asymmetrische ( public key ) Verfahren: zb. RSA (Internet)

21 Beispiele aus der Antike Skytale (ca. 500 v. Chr.) Caesar-Verfahren (ca. 50 v. Chr.) Ältestes militärisches Verschlüsselungsverfahren Geheimtext: pszzia Schlüssel: Stabdurchmesser Klartext: bellum

22 Neuzeit One-Time-Pad Idee von Gilbert Vernam (1917) Beweis der Sicherheit durch Claude Shannon (1949) [einziges Verfahren] Kriterien: - zufälliger und geheimer Schlüssel - (mindestens) gleiche Länge wie der Klartext - nur einmal verwenden ( one time ) Gilbert Vernam Claude Shannon Quantenmechanik kann das leisten: Quantum Key Distribution (QKD) Idee: Wiesner 1969 & Bennett et al (BB84)

23 Quantum Key Distribution (QKD) Messbasis: / / / / / / / Resultat: Messbasis: / / / / / / / Resultat: Alice and Bob teilen sich Wahl der Messbasis mit (nicht die Resultate) - bei gleicher Basiswahl verwenden sie das (lokal zufällige) Resultat - der Rest wird verworfen - perfekte Korrelation ergibt den Schlüssel: zwischendurch wählen sie weitere Messbasen und verletzen damit die Bell-Ungleichung; jedwedes Abhören würde detektiert werden - Sicherheit garantiert durch (quantenmechanische) Naturgesetze

24 Quantenkryptographie im Labor Erste Quantenkryptographie mit verschränkten Photonen (Wien, 2000) Alices Schlüssel Bobs Schlüssel Original: Verschlüsselt: Entschlüsselt: Bitweises XOR Bitweises XOR Schlüssel: Bit, Bit Fehler Wahrsch. 0.4 % Schlüssellänge: bit, Bit-Fehlerwahrscheinlichkeit: 0,4% T. Jennewein et al., PRL 84, 4729 (2000)

25 8 Kilometer free space über Wien (2005) Millennium Tower Twin Tower Kuffner Sternwarte K. Resch et al., Opt. Express 13, 202 (2005)

26 144 Kilometer von Insel zu Insel (2007) Aktueller Weltrekord (Universität Wien, IQOQI Wien, Universität München): Teneriffa QKD mit 2,3 bit/s T. Schmitt-Manderbach et al., PRL 98, (2007)

27 Erstes Quantenkryptographie-Netzwerk (2008) Wien St. Pölten 41 Partner aus 12 Ländern 6 Knoten, 8 Links (davon einer free-space) 80 km, Rate: einige kbit/s

28 Tokio-Netzwerk (2010) Partners: Japan: NEC, Mitsubishi Electric, NTT NICT Europe: Toshiba Research Europe Ltd. (UK), ID Quantique (Switzerland) and All Vienna (Austria). Toshiba-Link (BB84): 300 kbit/s über 45 km

29 Der nächste Schritt Unsere zwei größten Probleme in der Weltraumfahrt sind die Schwerkraft und der Papierkram. Die Schwerkraft haben wir im Griff, aber der Papierkram ist manchmal überwältigend. Wernher von Braun (1958) ISS (350 km Höhe)

30 Zeitlinie Quantenkryptographie Von der Idee zur Anwendung 1991 Erstes Experiment BB Kommerzielles Produkt 2010 Tokio-Netzwerk 1984 Idee (BB84) Vorschlag Verschränkung 2000 Erstes Experiment mit Verschränkung 2008 Wien-Netzwerk China- Netzwerk Alices Schlüssel Bobs Schlüssel Original: Verschlüsselt: Entschlüsselt: Bitweises XOR Bitweises XOR Schlüssel: Bit, Bit Fehler Wahrsch. 0.4 % 2004: QKD-Banküberweisung vom Wiener Rathaus zu einer Bank-Austria-Filiale (1,5 km) 2007: QKD-Übertragung der Parlamentswahlresultate des Kantons Genf nach Bern (100 km)

31 Das Mooresche Gesetz (1965) Gordon Moore Transistorgröße nm nm nm (?)

32 Computer und Quantenmechanik 1981: Die Natur kann am besten durch Quantenmechanik simuliert werden Richard Feynman 1985: Formulierung des Konzepts eines Quantencomputers David Deutsch

33 Bit vs. Quantenbit Bit Qubit 0 1 Q = ( ) oder 1 0 und 1

34 Quantenbit Allgemeiner Zustand eines Qubits: Quantenbit: Klassisches Bit: 0 P( 0 ) = cos 2 (θ/2) P( 1 ) = sin 2 (θ/2) ϕ Phase (Interferenz) 1 Viele physikalische Realisierungen: Photonen-Polarisation: 0 = 1 = Elektronen/Atom/Kern-Spin: 0 = up 1 = down = R = 0 + i 1 Atom-Energie-Niveaus: 0 = ground 1 = excited Supraleitung-Fluss-Qubit: 0 = left 1 = right etc

35 Schaltungen Klassischer Computer Widerstände, Transistoren, etc. Quantencomputer zb. Strahlteiler, Polarisatoren

36 Quantencomputer Klassischer Input Präparation der Qubits Messung der Qubits Klassischer Output Evolution Input und Output der Rechnung sind klassisch. Die Informationsverarbeitung ist quantenmechanisch.

37 Algorithmen Shor-Algorithmus (1994): Aufgabe: Primfaktor-Zerlegung einer b-bit Zahl (RSA-Krypographie) =? einfach (polynomiell): b 3 Schritte =?? schwer (exponentiell): 2 b1/3 Schritte für b = 1000 (301-stellig im Dezimalsystem) bei 1000 Gigahertz: klassisch quantenmechanisch Schritte Schritte Jahre < 1 Sekunde Peter Shor

38 Algorithmen Grover-Algorithmus (1996): Aufgabe: Datenbank-Suche in einer unsortierten Datenbank mit N Elementen (zb. eine markierte Seite in einem Buch finden) klassisch: man muss im Schnitt das halbe Buch ansehen quantenmechanisch: man muss im Schnitt nur N Seiten ansehen Buchlänge klassisch quantenmechanisch 100 Seiten 50 Aufrufe 10 Aufrufe Seiten Aufrufe Aufrufe Lov Grover

39 Implementierungen Ionenfallen Elektrisch gefangene Ionen Qubits: Elektronen-Energieniveaus Operationen: Laserlicht oder Mikrowellen 14 verschränkte Ca-Ionen (IQOQI Innsbruck 2011) Supraleiter Supraleitende Ringe (Festkörper) Qubits: Magnetische Flüsse Operationen: Magnetische Felder Verschränkung zwischen 4 SQUIDs (USA 2011) Optik Photonen Qubits: Polarisation (oder Pfad) Operationen: Strahlteiler, Wellenplatten Datenbank-Suche für N = 4 (Uni Wien 2007)

40 Implementierungen Andere Festkörper-Möglichkeiten NV-Zentren Spintronik Quantenpunkte

41 Ausblick Quantenkryptographie: Grundlagenforschung fast abgeschlossen Anwendung denkbar: Banken, Ämter/Konzerne, Militär etc. Physikalische Implementierung: sicher Photonen Quantencomputer: Grundlagenforschung Anwendung vielleicht in ein bis drei Jahrzehnten: Forschung, Militär, Datenbanken etc. Physikalische Implementierung: noch unentschieden Problem: bisher wenige Algorithmen Wenn ein erwiesener, älterer Wissenschaftler sagt, dass etwas möglich ist, dann hat er fast sicher recht. Wenn er sagt, dass etwas unmöglich ist, dann liegt er vermutlich falsch. Arthur C. Clarke (1962)

42 Die Wiener Quantengruppe Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!