Informatika kvantum elveken: a kvantum bittől a kvantum számítógépig

Átírás

1 Informatika kvantum elveken: a kvantum bittől a kvantum számítógépig A tudós leírja azt, ami van, a mérnök viszont megalkotja azt, ami soha nem volt. Gábor Dénes Imre Sándor, BME-HIT

2 Egy egyszerű kérdés C, B, A, E t 2 t 14 t = 0.3 t 6 t 20 Alma

3 Egy egyszerű kérdés C, B, A, E % p+,e-,n % semmi t 2 t 14 t =2016.IX. 14. t = 0 t 6 t 20 Alma

4

5 Ki tudja, hogy mi ez?

6 Moore törvénye 1m 1nm Minden 18 hónapban megduplázódik a mikroprocesszorok sebessége KISEBB GYORSABB

7 Moore törvénye De meddig?

8 Kísérletezzünk! "There are two possible outcomes: If the result confirms the hypothesis, then you ve made a measurement. If the result is contrary to the hypothesis, then you ve made a discovery. Enrico Fermi

9 Játszunk pénzfeldobósat Fej = 0 Írás = 1 Pumukli 0 p p 10 p 01 p

10 Játszunk két pénzt feldobósat P 00 = p 00 p 00 + p 01 p 10 = p 00 0 p 00 0 p 10 p 01 p 10 p 01 1 p 11 1 p

11 Kvantum pénzfeldobó 1 p = p =

12 Mit várunk?

13 Valami nagyon nem stimmel 1 0 Mit p 00 történik? p 00 + P 00 = p 01 p 10 = 0! 0 1 NOT kapu

14 Az oszthatatlan foton egyszerre két úton haladt

15 Az elemi részecskék természete részecske hullám elektron spinje foton polarizációja

16 A véletlen természete: tényleg véletlen Isten nem dobókockázik a világgal! Dehogynem! Sőt, volt annyira nagyvonalú, hogy diffegyenletek helyett olykor elegendő feldobni egy kockát!

17 Vonjuk le a következtetéseket! "Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it." Niels Bohr

18 Álljunk meg egy pillanatra! Új játékszabályok Korlátok és veszélyek Lehetőségek

19 Kvantum bit (qbit) a 0 b 1 a, b C és a 2 b

20 Mit lehet néhány qbittel kezdeni? Szuperpozíció: n=500 hosszú regiszter több állapotot tartalmaz, mint a világegyetem atomjainak száma És számolni is lehet ennyi számmal egyszerre! n 2 1 i 0 i i

21 Fordítsuk komolyra a szót! Mire jó ez az egész a hétköznapokban????? Bármilyen logikai függvényt össze tudok rakni logikai kapukból. Hát Ti?

22 Fordítsuk komolyra a szót! Bármilyen logikai függvényt össze tudok rakni logikai kapukból. Hát Ti?

23 Fordítsuk komolyra a szót! Már hogyne tudnánk! H j d dt

24 Determinisztikus Turing-féle működés ahogy Newton elképzelte a Világot bölcsi ovi ált. isk. gimn. egyetem dokt. isk. Közbenső állapotok bemenet kimenet

25 Valószínűségi Turing-féle működés - ahogy Önök elképzelik a Világot p 00 p 00 p01 p 10 bemenet lehetséges kimenetek

26 Kvantum működés és ahogy a Világ valójában működik a -1/2-1/2 00 a 00 a 1/2 1/2 01 a

27 Összefonódás (entanglement)

28 Sőt, az ölelés (összefonódás) másra is jó!

29

30 Alkalmazás Teleportálás szeptember: 150 km

31 Teleportálás

32 Játszunk titkosügynökösdit!

33 Szimmetrikus titkosítás Szimmetrikus kulcsú titkosítás Egyforma kulcsok mindkét oldalon Abszolút biztonságos, ha bizonyos előírásokat betartunk Gond, hogy a kulcsot miként juttassuk el a túloldalra????

34 Nyílvános kulcsú titkosítás Nyílvános kulcsú titkosítás nyilvános titkosítókulcs, titkos fejtőkulcs kulcsok előállítása: két nagy prímszám szorzatát felhasználva feltörés: a törzstényezők meghatározása A mai napig nem sikerült bebizonyítani, hogy nincs hatékony algoritmus a feltörésre. Mindenesetre eddig nem sikerült ilyen klasszikus algoritmust találni. De kvantumosat IGEN!

35 A lehallgatás

36 RSA feltörő kvantum áramkör

37 Shor-algotitmus és az RSA feltörése O O log 3 ( N ) év 1 sec

38 év

39 Shor-algotitmus és az RSA feltörése O O log 3 ( N ) év 1 sec

40 Ahogy ma faktorizálunk 15=

41 Védekezés kvantumos kulcsszétosztás

42 Első sikeres demonstráció Vienna, October 8, Today, the first commercial communication network using quantum cryptography is demonstrated in Vienna, Austria

43 Ahogy mi kulcsszétosztunk Kvantumkommunikáció az Bacsárdi László, Hálózati 43

44 Ahogy mi kulcsszétosztunk

45 Ahogy mi kulcsszétosztunk / /2

46 Adatbázis keresés története v

47 Adatbázis keresés története v

48 Adatbázis keresés története v

49 Adatbázis keresés története v4: Grover-algoritmus Aki keres, talál! De nem mindegy mennyi idő alatt. Rendezetlen adatbázis N különböző elemmel. Klasszikusan N kérés szükséges. Ugyanakkor kvantum módon: O O N x =?

50 Ahogy ma adatbázis keresünk Miért örülünk ennek? Informatika: pl. adatbázis kezelés Távközlés: pl. útvonalválasztás, jelfeldolgozás

51 2007 Orion Systems, 16 kvantumbites gép bemutatója három alkalmazással: Adatbázis keresés Ülésrend tervezés Sudoku fejtés 2009 Neural Information Processing Systems Conference Képfelismerő rendszer betanítása

52 2011: D-Wave One 128 qubit $ 2013: D-Wave Two 512 qubit 2016: D-Wave s flagship product, the 1000-qubit D-Wave 2X quantum computer, is the most advanced quantum computer in the world. It is based on a novel type of superconducting processor that uses quantum mechanics to massively accelerate computation

53 IBM kvantum számítógép hozzáférés! 2016-os újdonság!!!

54 Lazításként egy kis infoelmélet befejezésül

55 Egy egyszerű csatorna modell (mintha már láttuk volna valahol ) Klasszikus csatorna p ij =½ C=1-H(p)=0 0 C flip Csak redundanciával p tartható kordában a D hibázás valószínűsége 000 0/1 Kvantum csatorna p ij =½ C=1 A p qflip 0 φ > 0 B Bizonyos esetekben egyszerű kódolással HIBAMENTESSÉ tehető

56 Optikai szálon Az orosz medve: 225 km 2016 A svájci óra: 307 km

57 Biztató jelek - szabadtér 1991 első megvalósítás, 30 cm-es távon laboratóriumi körülmények között: 205 méter külső körülmények között: 75 méter 1998 Los Alamos National Laboratory, 950 méteres táv, éjszakai körülmények 2002 ugyanez a kutatólaboratórium demonstrálta 10 kilométeres távon (9,81 km), nappali és éjjeli időszakban is km nemzetközi kutatócsoport 2016 Kínai-osztrák műhold pályára állítása, várjuk az eredményeket! 57

58 OK, ezt még lenyeltük, de ilyen állat nincs: 2 db. külön-külön C = 0 kapacitású csatorna ügyesen összekapcsolva mégis képes információt átvinni!

59 Tanulságok Ígéretes algoritmusok, Ígéretes kísérletek és demonstrációk. Sőt egyes alkalmazások már ki is férnek a gyárkapun. De akad még néhány APRÓBB probléma: árnyékolás Az asztali kvantum PC-re még néhány évet bizonyosan várni kell. Viszont a kvantum kommunikáció előtt szabad az út!

60 Ne éljetek klasszikusan! Az élet kerek mivoltához nélkülözhetetlen a szuperpozíció. Imre Sándor

61 További információk Aki a kvantumos világra kíváncsi: Aki esetleg rám kíváncsi:

62 Akik a mozgóképet szeretik Bevezetés a kvantum-informatikába (12 publikus felvétel) um-informatikaba