Física cuántica informática_comunicación_p01_esp

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Física cuántica informática_comunicación_p01_esp

  1. 1. Física cuántica, informática y comunicación: una nueva era tecnológica para el siglo XXIParte I: La física cuántica: de paradojas a aplicaciones J. Ignacio Cirac INSTITUTO MAX‐PLANCK de ÓPTICA CUÁNTICA Cátedra „la Caixa“, Economia y Sociedad, Madrid, 12 de noviembre, 2007
  2. 2. a distintas escalas … … los objetos se comportan de manera distintaSi nos sumergemos en el mundo microscópico … … aparece un universo mágico y fascinante.
  3. 3. Los objetos parecen estar en varios sitios a la vezlas propiedades se difuminan que, a veces, atraviesan regiones prohibidas y parecen poseer cierta forma de telepatía
  4. 4. Durante los últimos años, se han observado estos fenómenos y se han logrado controlar el mundo microscópico
  5. 5. En el mundo microscópico, tenemos acceso a nuevas leyes podemos utilizarlas para hacer cosas nuevas en particular, para procesar y transmitir la información INFORMACIÓN CUÁNTICA
  6. 6. PlanI. La Física Cuántica: de paradojas a aplicaciones: Un poco de historia Conceptos básicos: superposiciones y entrelazamiento Conceptos básicos: controversias y paradojas El mundo microscópico: fotones, átomos, etc Aspectos filosóficos: teorías realistas locales.II. Computación cuántica:III. Comunicación cuántica:
  7. 7. Un poco de historia ...
  8. 8. Física cuántica en el siglo XX 1900 1900 Planck E=hν 1913 Bohr: modelo atómico 1926 Schrödinger/Heisenberg: | 0〉+ |1〉 Principio de superposición 1935 Einstein/Podolski/Rosen: | 0〉 | 0〉+ |1〉 |1〉 Paradojas‐entrelazamiento 1963 S≤2 Bell: Experimentos? 1982 Bennett/Brassard:  cryptografía 1996 Shor: algoritmo 2000
  9. 9. Física cuántica en el siglo XXILey de Moore: El tamaño de los procesadores se hace un factor dos más pequeño cada dos años Los bits se almacenan cada vez en menos átomos.El final de la Ley de Moore: Esta ley se violará en cuanto se llegue a la escala atómica. Es previsible que en la próxima década los efectos cuánticos aparezcan.
  10. 10. Física cuántica en el siglo XXIPUBLICACIONES COMUNIDAD CIENTÍFICA 1993 1995 1997
  11. 11. Física cuántica en el siglo XXIModelo 1: Pero, si la física cuántica no es físicaen el sentido usual – si no va de materia, energía u ondas‐ entonces, de qué va?Modelo 2: Bueno, desde mi perspectiva, va de información, y de observables, y de como se relacionan entre ellos.Modelo 1:Intersante! Scott Aaronson
  12. 12. Conceptos básicos: Superposiciones y entrelazamiento
  13. 13. SuperposicionesLas propiedades de los objetos no están bien definidas.Al medir, quedan definidas: | 0〉
  14. 14. SuperposicionesLas propiedades de los objetos no están bien definidas.Al medir, quedan definidas: |1〉
  15. 15. SuperposicionesLas propiedades de los objetos no están bien definidas.Al medir, quedan definidas: | 0〉 |1〉
  16. 16. SuperposicionesLas propiedades de los objetos no están bien definidas.Al medir, quedan definidas: |1〉
  17. 17. SuperposicionesLas propiedades de los objetos no están bien definidas.Al medir, quedan definidas: | 0〉 |1〉
  18. 18. SuperposicionesLas propiedades de los objetos no están bien definidas.Al medir, quedan definidas: | 0〉
  19. 19. SuperposicionesLas propiedades de los objetos no están bien definidas.Al medir, quedan definidas: | 0〉 |1〉 superposición cuántica: c0 | 0〉 + c1 |1〉
  20. 20. EntrelazamientoSi tenemos dos objetos: | 0〉 | 0〉
  21. 21. EntrelazamientoSi tenemos dos objetos: |1〉 |1〉
  22. 22. EntrelazamientoSi tenemos dos objetos: Estado entrelazado: | 00〉+ |11〉
  23. 23. EntrelazamientoSi tenemos dos objetos: |1〉 |1〉 aplicaciones en comunicación
  24. 24. EntrelazamientoSi tenemos muchos objetos: c1 | 000...0〉 + c2 | 000...1〉 + ... + c2 N |111...1〉 Sistemas cuánticos son difíciles de simular. Están como ocurriendo a la vez, en „universos paralelos“. Los podemos manipular, intefieren y dan lugar a nuevas posibilidades. aplicaciones en computación
  25. 25. Conceptos básicos: Controversias y paradojas
  26. 26. Einstein
  27. 27. SchrödingerQué ocurre en el mundo macroscópico? +
  28. 28. SchrödingerQué ocurre en el mundo macroscópico? | 0〉 |1〉 + | 0〉 + |1〉
  29. 29. SchrödingerQué ocurre en el mundo macroscópico? | 0〉 |1〉 + | 0〉 + |1〉
  30. 30. Einstein, Podolsky y RosenEPR?
  31. 31. Einstein, Podolsky y RosenEPR? Puedo conocer la propiedad del segundo átomo sin afectarlo. Sus propiedades deberían estar bien definidas! La Física Cuántica no da una descripción completa de la Realidad.
  32. 32. El mundo microscópico: fotones, átomos, etc
  33. 33. SuperposicionesFotones:  1. La luz está „compuesta“ por fotones: ck cli k clic Fuente de luz detector
  34. 34. SuperposicionesFotones:  1. La luz está „compuesta“ por fotones: ck cli k clic Fuente de luz detector
  35. 35. SuperposicionesFotones:  2. Los fotones tienen una propiedad: polarización ck polarizador cli k clic Fuente de luz detector
  36. 36. SuperposicionesFotones:  2. Los fotones tienen una propiedad: polarización ck polarizador cli k clic Fuente de luz detector
  37. 37. SuperposicionesFotones:  2. Los fotones tienen una propiedad: polarización polarizador espejo Fuente de luz detector click click detector
  38. 38. SuperposicionesFotones:  2. Los fotones tienen una propiedad: polarización ck polarizador espejo cli k clic Fuente de luz detector detector
  39. 39. SuperposicionesFotones:  3. Qué ocurre si ponemos el polarizador a 45 grados? polarizador espejo Fuente de luz detector detector Cada fotón es detectado AELEATORIAMENTE en uno de los detectores No hay forma de predecir de antemano en qué detector aparecerá
  40. 40. SuperposicionesFotones:  4. Descripción: La polarización (en ejes vertical/horizontal) está bien definida. Describimos el estado de polarización: |1〉
  41. 41. SuperposicionesFotones:  4. Descripción: La polarización (en ejes vertical/horizontal) está bien definida. Describimos el estado de polarización: | 0〉
  42. 42. SuperposicionesFotones:  4. Descripción: La polarización (en ejes vertical/horizontal) no está bien definida. Describimos el estado de polarización: | 0〉+ |1〉 Si el detector de abajo no hace click: |1〉
  43. 43. SuperposicionesFotones:  4. Descripción: La polarización (en ejes vertical/horizontal) no está bien definida. Describimos el estado de polarización: | 0〉− |1〉 Si el detector de abajo no hace click: |1〉
  44. 44. SuperposicionesFotones:  4. Descripción: giramos 45 grados Podemos crear y deshacer superposiciones. Podemos medir si tenemos | 0〉+ |1〉 o | 0〉− |1〉
  45. 45. SuperposicionesFotones:  medida 4. Descripción: | 0〉 | 0〉+ |1〉 |1〉 | 0〉− |1〉 Preparación | 0〉,|1〉 | 0〉± |1〉
  46. 46. SuperposicionesFotones:  5. En resumen: Podemos crear superposiciones: las propiedades no están bien definidas. Podemos hacer y desacer superposiciones. Podemos medir.
  47. 47. SuperposicionesFotones:  6. Prohibido encontrar la superposición | 0〉,|1〉 | 0〉± |1〉 Si ponemos el medidor a 0 grados y detectamos a la derecha: El estado después de la medida colapsa a: |1〉 Es estado antes de la medida es compatible con | 0〉± |1〉 y |1〉 Es imposible saber qué estado de superposición tenemos.
  48. 48. SuperposicionesFotones:  6. Prohibido copiar | 0〉,|1〉 | 0〉± |1〉
  49. 49. SuperposicionesFotones:  6. Prohibido copiar | 0〉,|1〉 | 0〉± |1〉 Es imposible saber qué estado de superposición tenemos.
  50. 50. SuperposicionesÁtomos:  Espín de un electrón: Fluorescencia
  51. 51. SuperposicionesÁtomos:  Espín de un electrón: c0 | 0〉 + c1 |1〉 Fluorescencia La propiedad del átomo no está bien definida. Sólo después de la medida queda definida. Lo mismo ocurre con otras propiedades: órbitas, posición, velocidad, etc.
  52. 52. EntrelazamientoAparece cuando tenemos superposiciones con dos o más objetos. 2 Fotones: 2 Átomos: |11〉 | 00〉 | 00〉+ |11〉 Si obtenemos | 0〉 en A, entonces B se „colapsa“ en  0〉 | Esto ocurre en todas las direcciones: Correlaciones
  53. 53. Entrelazamiento: Fuente de pares  de fotones | Ψ〉 =| 0, 0〉+ |1,1〉Existen correlacionesCiertas correlaciones no se pueden explicar con teorías locales realistas (teorema de Bell)Estas correlaciones han sido verificadas experimentalmente: La naturaleza no puede ser descrita por teorías locales realistas.
  54. 54. Aspectos filosóficos: teorías realistas locales
  55. 55. Pseudo‐telepatíaTienen que decir el mismo número: 0/1 … podrían hacer trampas …
  56. 56. Pseudo‐telepatíaEl árbitro le da un número (0/1) a una y la otra lo tiene que adivinar. ‐ Adivinará, en promedio, el 50% de las veces. ‐ Si acierta el 75% de las veces, ha habido „transmisión telepática“.
  57. 57. Pseudo‐telepatía 1 1El árbitro le da un número (0/1) a cada una.  Si les dan 1 y 1, entonces tienen que dar el mismo número.
  58. 58. Pseudo‐telepatía 0 0 1 1El árbitro le da un número (0/1) a cada una.  Si les dan 1 y 1, entonces tienen que dar el mismo número.
  59. 59. Pseudo‐telepatía 1 1 1 1El árbitro le da un número (0/1) a cada una.  Si les dan 1 y 1, entonces tienen que dar el mismo número.
  60. 60. Pseudo‐telepatía 0 1 0 1El árbitro le da un número (0/1) a cada una.  Si les dan 1 y 1, entonces tienen que dar el mismo número. Para cualquier otra combinación, deben dar un número distinto.
  61. 61. Pseudo‐telepatía 1 0 0 1El árbitro le da un número (0/1) a cada una.  Si les dan 1 y 1, entonces tienen que dar el mismo número. Para cualquier otra combinación, deben dar un número distinto.
  62. 62. Pseudo‐telepatíaMismo resultado: 1 1Resultado distinto: 0 0 0 1 1 0 Ellas no saben qué número le han dado a la otra
  63. 63. Pseudo‐telepatíaEstrategia: dicen el mismo número que les dan: 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1
  64. 64. Pseudo‐telepatíaMismo resultado: 1 1Resultado distinto: 0 0 0 1 1 0 Ellas no saben qué número le han dado a la otra ‐Adivinará, en promedio, el 75% de las veces. ‐ Si acierta el 85% de las veces, ha habido „transmisión telepática“.
  65. 65. Pseudo‐telepatíaLas gemelas se llevan fotón en estado entrelazado:Según el número recibido, le „preguntan“ al fotón algo distinto: ‐ Miden una propiedad distinta.El fotón les responde el número que deben decir.
  66. 66. Con fotonesFotones entrelazados:  Correlaciones perfectas: PDC  | Ψ〉 =| 0, 0〉+ |1,1〉
  67. 67. Con fotonesFotones entrelazados:  Correlaciones perfectas: elige el ángulo según le den 0 o 1 1 PDC  | Ψ〉 =| 0, 0〉+ |1,1〉 0
  68. 68. Pseudo‐telepatía La probabilidad de acertar es del 85%!Cualquiera que no conozca las reglas de la Física Cuántica creeráque ha habido un proceso telepático.Este experimento se ha hecho y el resultado niega la existencia deteorías realistas locales.
  69. 69. En resumen:Las propiedades de los objetos no están siempre bien definidas.Al medir una propiedad, la modificamos.Existen estados entrelazados, que contienen correlaciones especiales.Si tenemos muchos objetos, podemos tener superposiciones deun número exponencial de posibilidades. Hasta ahora: Verificación experimental con fotones, átomos, etc. Ahora: Aplicaciones: ‐ Comunicación. ‐ Computación. ‐…
  70. 70. Doctorado: Doctores: Miembros recientes:Henning Christ Miguel Aguado Toby CubittXialong Deng M. Carmen Banyuls Juan García-RipollMaria Eckholt Tsin Gao Frederic Grosshans Klemens HammererTassilo Keilmann Geza Giedke Barbara KrausChristina Kraus Diego Porras Andrea NemesValentin Murg Tommaso Roscile Belén ParedesChristine Muschik Roman Schmied David Pérez-GarcíaSebastien Persegers Karl Vollbrecht Markus PoppMikel Sanz Michael Wolf Enrique SolanoNorbert Schuch Christian SchönHeike Schwager Geza Toth Frank Verstraete

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