Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković

1. Kapitalna oprema:Digitalni spektrometarski sistem s CCD kamerom za istraživanja ukvantnoj informatici-program NT AMOP Dr. sc. Mario Stipčević 21.03.2007. Institut Ruđer Bošković

2. Kvantna informacija Novija istraživanja u kvantnoj fizici ukazala su na to da kvantni sistemi sadrže mnogo više informacije nego klasični analogoni zahvaljujući 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

3. Entanglement Osnovni alat za proučavanje kvantne informacije. Svojstvo dvočestične valne funkcije da mjerenjem nekog svojstva jedne čestice utječemo na rezultat mjerenja tog svojstva druge čestice, nelokalno. Interesantni su maksimalno spregnuti 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).

4. Entanglement s fotonima 1995. P.G.Kwiat, H. Weinfurter et al.demonstriraju uređaj za obilatu proizvodnju polarizacijski spregnutih FOTONA na principu “parametarskog cijepanja” fotona u nelinearnom kristalu -> intenziviranje istraživanja kvantne informacije Spektar nepogodan za fotomultiplikatore, koriste se poluvodički detektori, Si, InGaAs

5. Kvantna informatika 1982. Formuliran je “no cloning teorem” koji kaže da QM ne dopušta kloniranje/multipliciranje nepoznatog kvantnog stanja 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 odgovoru na Feynmanovo pitanje: ako je Turingovim računalima teško (sporo) računati neke kvantne sisteme, može li kvantna mehanika omogućiti brža/drugačija računala ?

6. Kvantna kriptografija 1985. H.C.Bennett (IBM) i G. Brassard (UniMontreal) objavili su jedan “štos” o tome kako kvantna mehanika može poslužiti za ostvarenje kriptografski sigurnog prijenosa poruka/podataka. Protokol je nazvan BB84. 1991. Ostvaren je prvi uređaj koji je utjelovio BB84 Kvantna kriptografija je prvi eksperiment zasnovan na kvantnoj informatici i ujedno prvi primjer kvantne komunikacije. Također i prvi uređaj QI koji je komercijaliziran. 1992.Eckert modificira BB84 i uvodi (teorijski) uređaj za entanglement (“kvantno sprezanje”)

7. Kvantna kriptografija Svrha kvantne kriptografije je da Alice i Bob uspostave generiraju identični tajni ključ kojim mogu javni kanal pretvoriti u privatni. Protokol uključuje parovekvantno spregnutih fotona.

8. Kvantna teleportacija Originalna 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).

10. Kvantna računala Nakon razvoja teorije kodova i “fault tolerant computing”, počela se intenzivno razvijati grana kvantne fizike koja izučava kvantna računala i moguće algoritme koje ona mogu “brzo” riješiti. Za sada su to: • Sortiranje (Groverov algoritam) • Rastav cijelih brojeva na proste (prim) faktore • Računanje diskretnih logaritama • ?? Osnovni alat za izučavanje kvantne informacije su dvo i višečestično kvantno spregnuti sistemi

11. Fotonska CNOT vrata, dovoljna za kvantno računanje Centralna komponenta je uređaj za sprezanje para fotona M. Pavičić, 2004 Zeilinger et al, 2004

12. Eksperimentalno sprezanje fotona

13. Spektar spregnutih fotona

14. Simulacija geometrije i spektra

15. Spektrograf ANDOR 303i • 250-1100nm • triple grating turret • auto alignment • ovisno o rešetki rezolucija <50A Hlađena CCD kamera S USB2 priključkom ANDOR DU420 1024x512 pixela QE Spektar obične žarulje

16. Projekt:Femtosekundna laserska fizika atoma i molekula 2D spektar

17. O projektu Projekt 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, ...

18. Svrha i ciljevi projekta Svrha projekta su fundamentalna istraživanja u području kvantne komunikacije i kvantne informatike: • Kvantna kriptografija – cilj je izgraditi uređaj i unaprijediti posto-jeće razumijevanje, domet i brzinu generiranja tajnog ključa • Unaprijeđenje protokola za kvantnu kriptografiju • Exp. i theor. istraživanje novih primitiva poput kvantnog potpisa, kvantnih memorija, kvantnih logičkih vrata • Novi načini za postizanje efikasnog entanglementa, multiparticle entanglement • Kvantni generatori slučajnih brojeva • Čvrstostanljski (silicijski) detektora fotona (SPAD) i razvoj novih sklopova za aktivni quenching • Tehnike mjerenja apsolutne kvantne efikasnosti (SPAD) • Single photon gun • Kvantna teleportacija

19. Ljudi na projektu Projekt se oslanja na 4 iskusna istraživača: • Branka Medved, dr. sc. IRB, Zavod za elektroniku • Hrvoje Skenderović, dr. sc., IFS • Mladen Pavičić, dr. sc. prof., PMF, Gradjevinski faks • 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 ...)

20. 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 upravljiva mjerna tehnika, razvoj specifičnog elektroničkog sklopovlja vlastit ili u suradnji s malim tvrtkama

21. 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

22. 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

23. Dosadašnja eksperimentalna istraživanja • Kvantni generator slučajnih brojeva: ključan element za kvantnu kriptografiju, kvantne memorije i kvantno računanje

24. Radimo na konstrukciji originalnog sklopa za active quenching u poluvodičkim detektorima fotona

25. 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