Informatika kvantum elveken: a kvantum bittől a kvantum számítógépig

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

Egy egyszerű kérdés C, B, A, E t 2 t 14 t = 0.3 t 6 t 20 Alma 2016.10.24. 2

Egy egyszerű kérdés C, B, A, E 0.000000000000001% p+,e-,n 0.999999999999999% semmi t 2 t 14 t =2016.IX. 14. t = 0 t 6 t 20 Alma 2016.10.24. 3

2016.10.24. 4

Ki tudja, hogy mi ez? 2016.10.24. 5

Moore törvénye 1m 1nm Minden 18 hónapban megduplázódik a mikroprocesszorok sebessége KISEBB GYORSABB 2016.10.24. 6

Moore törvénye De meddig? 2016.10.24. 7

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

Játszunk pénzfeldobósat Fej = 0 Írás = 1 Pumukli 0 p 00 0 1 p 10 p 01 p 11 1 2016.10.24. 9

Játszunk két pénzt feldobósat P 00 = p 00 p 00 + p 01 p 10 = 0.5 0 0 p 00 0 p 00 0 p 10 p 01 p 10 p 01 1 p 11 1 p 11 1 2016.10.24. 10

Kvantum pénzfeldobó 1 p = 0.5 0 0 1 p = 0.5 2016.10.24. 11

Mit várunk? 1 0 0 1 2016.10.24. 12

Valami nagyon nem stimmel 1 0 Mit p 00 történik? p 00 + P 00 = p 01 p 10 = 0! 0 1 NOT kapu 2016.10.24. 13

Az oszthatatlan foton egyszerre két úton haladt 2016.10.24. 14

Az elemi részecskék természete részecske hullám elektron spinje foton polarizációja 2016.10.24. 15

A véletlen természete: tényleg véletlen Isten nem dobókockázik a világgal! Dehogynem! Sőt, volt annyira nagyvonalú, hogy diffegyenletek helyett olykor elegendő feldobni egy kockát! 2016.10.24. 16

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

Álljunk meg egy pillanatra! Új játékszabályok Korlátok és veszélyek Lehetőségek 2016.10.24. 18

Kvantum bit (qbit) a 0 b 1 a, b C és a 2 b 2 1 2016.10.24. 19

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 2016.10.24. 20

Fordítsuk komolyra a szót! Mire jó ez az egész a hétköznapokban????? Bármilyen logikai függvényt össze tudok rakni logikai kapukból. Hát Ti? 2016.10.24. 21

Fordítsuk komolyra a szót! Bármilyen logikai függvényt össze tudok rakni logikai kapukból. Hát Ti? 2016.10.24. 22

Fordítsuk komolyra a szót! Már hogyne tudnánk! H j d dt 2016.10.24. 23

Determinisztikus Turing-féle működés ahogy Newton elképzelte a Világot bölcsi ovi ált. isk. gimn. egyetem dokt. isk. Közbenső állapotok bemenet kimenet 2016.10.24. 24

Valószínűségi Turing-féle működés - ahogy Önök elképzelik a Világot p 00 p 00 p01 p 10 bemenet lehetséges kimenetek 2016.10.24. 25

Kvantum működés és ahogy a Világ valójában működik a -1/2-1/2 00 a 00 a 1/2 1/2 01 a 10 2016.10.24. 26

Összefonódás (entanglement) 2016.10.24. 27

Sőt, az ölelés (összefonódás) másra is jó! 0 00 1 01 2 10 3 11 0 00 3 11 2016.10.24. 28

0 00 3 11 2016.10.24. 29

Alkalmazás Teleportálás 0 00 3 11 2015. szeptember: 150 km 2016.10.24. 30

Teleportálás 2016.10.24. 31

Játszunk titkosügynökösdit! 2016.10.24. 32

Szimmetrikus titkosítás Szimmetrikus kulcsú titkosítás Egyforma kulcsok mindkét oldalon Abszolút biztonságos, ha bizonyos előírásokat betartunk Gond, hogy a kulcsot miként juttassuk el a túloldalra???? 2016.10.24. 33

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! 2016.10.24. 34

A lehallgatás 2016.10.24. 35

RSA feltörő kvantum áramkör 2016.10.24. 36

Shor-algotitmus és az RSA feltörése O O log 3 ( N ) 152 000 év 1 sec 2016.10.24. 37

152 000 év 2016.10.24. 38

Shor-algotitmus és az RSA feltörése O O log 3 ( N ) 152 000 év 1 sec 2016.10.24. 39

Ahogy ma faktorizálunk 15=5 3 2016.10.24. 40

Védekezés kvantumos kulcsszétosztás 2016.10.24. 41

Első sikeres demonstráció Vienna, October 8, 2008. Today, the first commercial communication network using quantum cryptography is demonstrated in Vienna, Austria. 2016.10.24. 42

Ahogy mi kulcsszétosztunk - 2013 Kvantumkommunikáció az Bacsárdi László, Hálózati 43

Ahogy mi kulcsszétosztunk - 2014

Ahogy mi kulcsszétosztunk 2015 2015/1 2014 2015/2

Adatbázis keresés története v1 2016.10.24. 46

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 =? 2016.10.24. 49

Ahogy ma adatbázis keresünk Miért örülünk ennek? Informatika: pl. adatbázis kezelés Távközlés: pl. útvonalválasztás, jelfeldolgozás 2016.10.24. 50

2007 Orion Systems, 16 kvantumbites gép bemutatója három alkalmazással: Adatbázis keresés Ülésrend tervezés Sudoku fejtés 2009 Neural Information Processing Systems Conference Képfelismerő rendszer betanítása 2016.10.24. 51

2011: D-Wave One 128 qubit 10 000 000$ 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. 2016.10.24. 52

IBM kvantum számítógép hozzáférés! 2016-os újdonság!!! https://quantumexperience.ng.bluemix.net/ 2016.10.24. 53

Lazításként egy kis infoelmélet befejezésül

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. 2016.10.24. 55

Optikai szálon Az orosz medve: 225 km 2016 A svájci óra: 307 km - 2015 56

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 2006 144 km nemzetközi kutatócsoport 2016 Kínai-osztrák műhold pályára állítása, várjuk az eredményeket! 57

OK, ezt még lenyeltük, de ilyen állat nincs: 2 db. külön-külön C = 0 kapacitású csatorna ügyesen összekapcsolva mégis képes információt átvinni! 2016.10.24. 58

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! 2016.10.24. 59

Ne éljetek klasszikusan! Az élet kerek mivoltához nélkülözhetetlen a szuperpozíció. Imre Sándor 2010 2016.10.24. 60

További információk IMRE@HIT.BME.HU Aki a kvantumos világra kíváncsi: http://www.mcl.hu/quantum// Aki esetleg rám kíváncsi: http://www.hit.bme.hu/people/imre/ 2016.10.24. 61

Akik a mozgóképet szeretik Bevezetés a kvantum-informatikába (12 publikus felvétel) http://videotorium.hu/hu/channels/details/1291,bevezetes_a_kvant um-informatikaba 2016.10.24. 62