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In the Quantum World – towards the quantum technologies · Un importante passo in avanti verso i...

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In the Quantum World – towards the quantum technologies Fabio Sciarrino Dipartimento di Fisica Sapienza Università di Roma http://quantumoptics.phys.uniroma1.it www.3dquest.eu
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Page 1: In the Quantum World – towards the quantum technologies · Un importante passo in avanti verso i super computer quantistici del futuro, realizzato dai fisici dell'università australiana

In the Quantum World – towards the quantum technologies

Fabio Sciarrino Dipartimento di Fisica

Sapienza Università di Roma

http://quantumoptics.phys.uniroma1.itwww.3dquest.eu

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Apple I(1976)

.. 4 Kb di Ram...!

ENIAC (1946)Electronic Numerical

Integrator And Computer

18.000 thermionic valves,

30 tons,

180 mq

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TODAY...

Tianhe-1A (2010)

Supercomputer

Operations per second

1 PetaFlops

I-Phone 4s (2012)RAM 512 Mb

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Breaking news!19 Febbraio 2012

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“ […] Un importante passo in avanti verso i super computer quantistici del futuro, realizzato dai fisici dell'università australiana del Nuovo Galles del Sud a Sydney .”

La Repubblica

“ [...] Científicos australianos han construido el transistor más pequeño del mundo a partir de un único átomo, lo que supone un gran paso hacia el desarrollo de los futuros ordenadores cuánticos.”

El Mundo

“ [...]they had laid the groundwork for a futuristic quantum computer that might one day function in a nanoscale world and would be orders of magnitude smaller and quicker than today’s silicon-based machines.”

The New York Times

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D-wave: a commercial quantum computer ?!?

512 qubit....Cost: 10.000.0000 $

bought from NASA, google..

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D-wave: a commercial quantumcomputer ?!?

512 qubit....Cost: 10.000.0000 $

Bought from da NASA, google..

Is it"truly" quantum?And more powerfull

than a classical computer?

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Results of Classical Physics:

The predominant physical theory acknowledged as the only constituents of the Universe matter and radiation

At the end of 1800...

made of particles perfectly localizable, subject to

Newton's law

has a wave-like behavior and obeys the laws of electrodynamics of Maxwell;

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The equations of classical physics ....

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The kinematics of the bodies

Electromagnetism (Maxwell's equations)

The equations of classical physics ....

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Equation

The equations of classical physics ....Phenomenon Description

Equation

Collision between particles

Interference between waves

Phenomenon Description

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The crisis of classical physics

Classical physics can not explain what happens in the microscopic world ...

Why an electron does not fall on the nucleus by emitting electromagnetic radiation?

How do you explain the energy emitted from an

irradiated metal surface?

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MACROSCOPICWORLD

CLASSICALPHYSICS

MICROSCOPICWORLD

QUANTUM PHYSICS

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The answers of Quantum Mechanics ...

The energy, in the same material, has a discontinuous nature being formed by elementary quantity.

QUANTUM THEORY

All the processes of interaction between bodies (the "force fields") are "quantized"

["Building blocks": photons, electrons, etc..]

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The quantum of light: the photonElectromagnetic wave carries energyEnergy changes in a discrete manner:

as the (unit) of energy is the fundamental PHOTON

Photon:

I) Massless

II) EnergyE = h νEnergy

Planckconstant

Frequency

Rosso

780 – 620 nmArancione620 – 600 nm

Giallo600 – 575 nm

Verde575 – 495 nm

Blu495 – 455 nmVioletto

455 – 390 nm

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The "golden years" of Quantum Mechanics:Solvay Conference (1927)

Quantum physics: Planck, Einstein, Bohr, Dirac, Schroedinger, Heisenberg, Pauli,...

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First Principle of dynamic

F = m a

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First Principle of dynamic

F = m a

Mass that describes the system

Force actingon the system

Acceleration:effect of the force

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Schroedinger equation

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Hamiltonian(describes the system

considered)

WAVEFUNCTION

h Planck constant

Schroedinger equation

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InterferenceInterference

“…the heart of quantum mechanics. “…the heart of quantum mechanics. In reality it contains the only In reality it contains the only

mystery ...” mystery ...”

R.P. Feynman (1965)R.P. Feynman (1965)

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Interference between wavesInterference between waves

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Single-particle interference

wall

Source

A

B

shutter

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Single-particle interference

Probability to detectparticlePL(x)

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Single-particle interference

wall

Source

Probabilityto detectparticlePA(x)

A

B

shutter

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Single-particle interference

wall

Source

A

B

shutter

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Single-particle interference

Probability to detectparticle PR(x)

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“classical” behaviour

wall

Source

A

B Probability to detectparticle

P(x) = PA(x) + PB(x)

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“classical” behaviour

Probability to detectparticle

P(x) = PL(x) + PR(x)

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Quantum interference

Probability to detectparticle

P(x)

Interferencepatterns

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Quantum interference

A

B

Probabilityto detectparticle

P(x)

Interferencepatterns

Source

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“classical” behaviour

Probability to detectparticle

P(x) = PL(x) + PR(x)

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Wavefunction

From which slit the photonis going through ?

It is as if the photon follows

the two paths at the same time

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Quantum interference

A

B

Probabilityto detect

the particleP(x)

Interference pattern

The photon “goes through” the two slits

Source

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Quantum interference

Classical physics: a particle can travelalong path A or B along the way

Quantum physics: "a particle can travelalong path A and B along the way "

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Quantum interference

Classical physics: a particle can travelalong path A or B along the way

Quantum physics: "a particle can travelalong path A and B along the way "

The particle is in a superposition stateof the two trajectories.

The wave function that characterizes the system can be written ......

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WAVE FUNCTION

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Observation where the particle is going?

The interference patterns disappear!

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Source

A

B

Probability to detecta particle

P(x)

Interferencepattern

Where the particle is going?

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The interference patterns disappear!

Observation

wall

Source

A

B

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The interference patterns disappear!

Observation

wall

Source

A

B

The observation disturbs the phenomenon: [“Heisenberg uncertitude principle”]

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“It from bit” J.A.Wheeler

The reality is also created by our questions,or from information gained.

The observation disturbs the phenomenon: [“Heisenberg uncertitude principle”]

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Interference with massive particles: electrons

8electrons

60.000electrons

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?

Fullerene C60

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Fullerene C60

C168

H94

F152

O8N

4S

4

430 atomi

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MACROSCOPICWORLD

CLASSICALPHYSICS

MICROSCOPICWORLD

QUANTUM PHYSICS

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The paradox of Schroedinger's cat

E. Schrödinger (1935) E. Schrödinger (1935)‏ ‏

Oggetto quantistico – particella radioattiva.Oggetto quantistico – particella radioattiva.50% probabilità di decadimento in un’ora.50% probabilità di decadimento in un’ora.Il decadimento causa la rottura della fiala con Il decadimento causa la rottura della fiala con velenoveleno

Oggetto classico:Oggetto classico:gattogatto

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55

The paradox of Schroedinger's cat

Atom not decayed

Atomdecayed

Alivecat

Deadcat

Not observed cats living and dead at the same time!Interaction with the environment: loss of coherence

Superposition state Statistical mixture(alive and dead) (alive or dead)

Computing: superposition states of many qubitsTechniques for Quantum Error Correction

( )

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Zurek, Physics Today, October 1991, page 38

The border between the classical and quantum world

Page 57: In the Quantum World – towards the quantum technologies · Un importante passo in avanti verso i super computer quantistici del futuro, realizzato dai fisici dell'università australiana

Zurek, Physics Today, October 1991, page 38

The border between the classical and quantum world

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“A phenomenon is not a phenomenon until is a measured phenomenon…”

J. A. Wheeler

“Is there a moon in the sky if I do not look at?”

A. Einstein

There are the "objective properties", the “elements of physical reality” ?

A. Einstein

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What is the wave function ?The wave function is a physical state of the

quantum system.

Mathematics dominates the structure of the theory: ["Wave function" | Ψ> tool to describe its essence or

reality?]

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The wave function

EPISTEMOLOGY'Discussion

on knowledge

or

ONTOLOGY'Discussion on essence'

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Quantum Mechanics:

“Lo scopo della nostra descrizione della natura non è il cercare l’essenza reale dei fenomeni ma soltanto l’indagare con la massima profondità possibile le relazioni tra i molteplici aspetti della nostra

esperienza.”“The purpose of our description of nature is not the search for the real essence of phenomena but only to investigate the maximum possible

depth relations between the manifold aspects of our experience.”

Niels Bohr (1934)

FAPP interpretation (For All Practical Purposes)Per tutti i fini pratici

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Quantum Mechanics

1946- Felix Bloch e Edward Purcell

Nuclear Magnetic Resonance

1931- Ernst Ruska

Electronic microscope

1960- Theodore Harold Maiman

Laser

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Quantum InformationInformation Theory + Quantum Mechanics:

It exploits the laws of quantum mechanics to communicate, manipulate and process information

Fundamental physics Applied physicsCriptography Computation

Metrology

Non-locality Micro-macroscopic transition

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“Information is physics” R. Landauer

The manipulation of information

is governed by the laws of physics..

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i386i386

1986

1 micron

2020

1 nanometro

1879QubitEvolution of Information Technology

BIT

BIT: Dichotomic variable 0 o 1

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QubitQUBIT (Quantum Bit)

QUANTUM INFORMATION

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QubitQUBIT (Quantum Bit)

GOAL:TO EXPLOIT QUANTUM PARALLELISM

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QubitQUBIT (Quantum Bit)

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01

Simulating Physics with ComputersR. Feynman, 1982

Quantum theory,the Church-Turing principle andthe universal quantum computerD. Deutsch, 1984

On computable numbers, with an application to the EntscheidungsproblemA. Turing, 1936

Algorithms for quantum computation: Discrete log and factoring

P. W. Shor, 1994

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71

Quantum informationLight Polarizzazion

Qubit Single photon polarization

H: horizontalV: vertical

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72

Quantum informationLight Polarization

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Non-locality in laboratory...

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Integrated quantum photonics

Preparation

Detection

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Integrated quantum photonics

Preparation

Detection

- Single photon sources- Manipulation- Single photon detectorsON THE SAME CHIP

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PICQUE project:« Photonic Integrated

Compound Quantum Encoding »

Marie Curie Initial Training Network (ITN)

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Towards the integrated quantum information

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How to guide light inside the chip ?

Optical fibre:

Guide the light

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Laser written integrated circuit

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Logic gate on a chip

Input Output

Control C Target T Control C’

Target T’

0 0 0 0

0 1 0 1

1 0 1 1

1 1 1 0

Fundamental for quantum computation

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Towards quantum simulation...

“It from bit” J.A.Wheeler

Richard Feynman:

« There is a plenty of room at the bottom»

Exploit a quantum hardwareto simulate a quantum system

Richard Feynman

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Enjoy life, enjoy quantum!

Thanks for the attention!

http://quantumoptics.phys.uniroma1.it


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