De Kwantumcomputer. Patrick De Causmaecker Katholieke Universiteit Leuven Campus Kortrijk



Vergelijkbare documenten
Algoritmen abstract bezien

Quantum computing. Dirk Nuyens. dept. computerwetenschappen KULeuven.

Het computationeel denken van een informaticus Maarten van Steen Center for Telematics and Information Technology (CTIT)

Quantum-computing toegepast op het n-queens probleem

Waarmaken van Leibniz s droom

Q-bits en Quantumcomputers

Teleportatie op de quantum computer

Met de quantummechanica het lab in

Speltheorie in de computerwetenschappen. Patrick De Causmaecker Met dank aan Katja Verbeeck Katholieke Universiteit Leuven Campus Kortrijk

Module Limieten van de berekenbaarheid : antwoorden

1 Rekenen in eindige precisie

Constanten. Variabelen. Expressies. Variabelen. Constanten. Voorbeeld : varid.py. een symbolische naam voor een object.

Sommige mensen claimen dat je alles op het internet kunt vinden. Maar dan moet je wel kunnen zoeken!!

Vorig college. IN2505-II Berekenbaarheidstheorie College 4. Opsommers versus herkenners (Th. 3.21) Opsommers

Met de quantummechanica het lab in

Fundamentele Informatica IN 3005 Deel 2

Logische Complexiteit

Getallensystemen, verzamelingen en relaties

FOR DUTCH STUDENTS! ENGLISH VERSION NEXT PAGE

FOR DUTCH STUDENTS! ENGLISH VERSION NEXT PAGE

Bij elkaar behorende instructies die een probleem oplossen of een taak uitvoeren.

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Technische Natuurkunde

FOR DUTCH STUDENTS! ENGLISH VERSION NEXT PAGE. Toets Inleiding Kansrekening 1 8 februari 2010

Uitwerkingen tentamen Optica

2 Elementaire bewerkingen

2 n 1. OPGAVEN 1 Hoeveel cijfers heeft het grootste bekende Mersenne-priemgetal? Met dit getal vult men 320 krantenpagina s.

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica. Examination 2DL04 Friday 16 november 2007, hours.

Helden van de wiskunde: L.E.J. Brouwer Brouwers visie vanuit een logica-informatica perspectief

Getallenleer Inleiding op codeertheorie. Cursus voor de vrije ruimte

Add the standing fingers to get the tens and multiply the closed fingers to get the units.

Gödels theorem An Incomplete Guide to Its Use and Abuse, Hoofdstuk 3

Quantum Computing. Harry Buhrman. CWI & Universiteit van Amsterdam

Onderwerpen Fundamentele Informatica IN 3120

Beslisbare talen (1) IN2505-II Berekenbaarheidstheorie. Beslisbare talen (2) Beslisbare talen (3) De talen: College 7

IN2505 II Berekenbaarheidstheorie Tentamen Maandag 2 juli 2007, uur

HOOFDSTUK VII REGRESSIE ANALYSE

Opdrachten herhalen. public void tekenscherm (object o, PEA pea) { int x; x = 1; zolang de voorwaarde geldig is

Stelling. SAT is NP-compleet.

Gegevens invullen in HOOFDLETTERS en LEESBAAR, aub. Belgische Olympiades in de Informatica (duur : maximum 1u15 )

von-neumann-architectuur Opbouw van een CPU Processoren 1 december 2014

UvA-DARE (Digital Academic Repository) Quantum Algorithms and Quantum Entanglement Terhal, B.M. Link to publication

Met de quantummechanica het lab in

DEC SDR DSP project 2017 (2)

QUANTUMFYSICA FOTOSYNTHESE. Naam: Klas: Datum:

Waarmaken van Leibniz s droom

1. REGELS VAN DEELBAARHEID.

Quantum aanvallen op de 3-round Feistel Cipher

1. Programmeerblokken

: Toeval en/of determinisme in de natuurwetenschap (Deel II)

Alle opgaven tellen even zwaar, 10 punten per opgave.

Automaten en Berekenbaarheid

start -> id (k (f c s) (g s c)) -> k (f c s) (g s c) -> f c s -> s c

Paradox van zelfreproductie. IN2505-II Berekenbaarheidstheorie. Zelfreproductie? Programma s en zelfreproductie. College 11.

ONBETWIST ONderwijs verbeteren met WISkunde Toetsen Voorbeeldtoetsen Lineaire Algebra Deliverable 3.10 Henk van der Kooij ONBETWIST Deliverable 3.

VAN HET PROGRAMMEREN. Inleiding

Labo IDP. In dit labo gaan we IDP gebruiken voor het analyseren van logische circuits. XOR Q AND. Figuur 1: Een logisch circuit.

Zomercursus Wiskunde. Katholieke Universiteit Leuven Groep Wetenschap & Technologie. September 2008

Artificiële intelligentie 1 ( ) Voorbeelden van examenvragen

Lasers. Laserlicht. l.a.s.e.r. Een laser is een lichtbron waar heel speciaal licht uit komt.

Zomercursus Wiskunde. Katholieke Universiteit Leuven Groep Wetenschap & Technologie. September 2008

Lineaire Algebra voor ST

Wat schuift het? Andre Heck Ron Vonk (AMSTEL Instituut, UvA)

Automaten en Berekenbaarheid 2016 Oplossingen #4

Digitale technieken Deeltoets II

Waarschijnlijk wel, want er zit niet veel informatie in de klinkers. Deze activiteit laat een manier zien om de hoeveelheid informatie te meten.

M1 Wiskundig taalgebruik en notaties

Berekenbaarheid 2015 Uitwerkingen Tentamen 5 november 2015

Oriëntatie Kunstmatige Intelligentie. Inleidend College Niels Taatgen

V = {a, b, c, d, e} Computernetwerken: de knopen zijn machines in het netwerk, de kanten zijn communicatiekanalen.

Zomercursus Wiskunde. Module 4 Limieten en asymptoten van rationale functies (versie 22 augustus 2011)

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Wiskunde: gemiddelden, ongelijkheden enz 23/5/2015. dr. Brenda Casteleyn

The first line of the input contains an integer $t \in \mathbb{n}$. This is followed by $t$ lines of text. This text consists of:

Vorig college. IN2505-II Berekenbaarheidstheorie. Turingmachines. Turingmachine en Taal. College 2

Elliptische krommen en digitale handtekeningen in Bitcoin

Grafieken van veeltermfuncties

les 2 toeval en waarschijnlijkheid

Antwoorden vragen en opgaven Basismodule

Elke gelijkenis met bestaande gebeurtenissen en/of personen berust op louter toeval.

Kettingbreuken. 20 april K + 1 E + 1 T + 1 T + 1 I + 1 N + 1 G + 1 B + 1 R + 1 E + 1 U + 1 K + E + 1 N A + 1 P + 1 R + 1 I + 1

What does it all mean?

Lineaire algebra I (wiskundigen)

Computerrekenpakket Maple zesde jaar

Het grondtal van het decimaal stelsel is 10. Voorbeeld: het getal Poorten De tellereenheid Mevr. Loncke 1

NP-volledigheid. Algoritmiek

Bij elkaar behorende instructies die een probleem oplossen of een taak uitvoeren.

Wiskunde 1 Samenvatting deel /2018

Datastructuren. Analyse van algoritmen. José Lagerberg. FNWI, UvA. José Lagerberg (FNWI, UvA) Datastructuren 1 / 46

Proeftentamen in1211 Computersystemen I (NB de onderstreepte opgaven zijn geschikt voor de tussentoets)

de Kosmische Tijd, Newtoniaanse tijd voldoet niet aan eigenschappen natuurlijke tijd om stil te staan bij de tijd

Bekijk nog een keer het stelsel van twee vergelijkingen met twee onbekenden x en y: { De tweede vergelijking van de eerste aftrekken geeft:

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Tentamen Kunstmatige Intelligentie (INFOB2KI)

1 Vlaamse Wiskunde Olympiade : Eerste Ronde.

Je moet nu voor jezelf een overzicht zien te krijgen over het onderwerp Complexe getallen. Een eigen samenvatting maken is nuttig.

EE1410: Digitale Systemen BSc. EE, 1e jaar, , vragencollege 1

Random-Getallen. Tristan Demont en Mark van der Boor en

Propositielogica Het maken van een waarheidstabel

VISUALISATIE VAN KROMMEN EN OPPERVLAKKEN. 1. Inleiding

Cryptografische beveiliging op het Internet

De grootste gemeenschappelijke deler van twee of meerdere getallen

Transcriptie:

De Kwantumcomputer Patrick De Causmaecker Katholieke Universiteit Leuven Campus Kortrijk

Mezelf Licentiaat Wiskunde (Gent) Doctor in de Fysica (Leuven) Professor Informatica (Leuven-Kortrijk) Richtingen Wiskunde, Fysica, Informatica

Mijn Groep ~2 onderzoekers Artificiele intelligentie voor complexe combinatorische optimalisatie Optimalisatie in gedistribueerde systemen/planning en Scheduling/Roosters voor personeel/bioinformatica/e-learning/digitale beeldverwerking/

De professor en zijn doctoraatsstudenten I am currently Professor of Chemistry and I am also Associate Vice President for Research at UNT. I therefore maintain two offices on campus Chemistry Department (office hours only) VP for Research Office (most times) Mail s ochtends: Doe het volgende experiment Laad de shaker Start de machine Start de analyse Zend me het rapport

De doctoraatsstudenten van de professor Hij komt toch nooit in het labo. Kunnen we het niet zonder ons laten gebeuren? We kunnen het experiment simuleren. Maar dan hebben we wel een kwantumcomputer nodig

De student van de professor Ik wil wel een mooie zonnige dag. Kunnen we het weer exact en met zekerheid voorspellen? Misschien wel. Maar dan heb ik een kwantumcomputer nodig.

De kwantumcomputer is nog in een vroeg stadium Maar wat is Quantum Computing De Kwantumcomputer doet aan Quantum Computing

Wat is het verschil met het gewone computeren Wat is Computing Gewone computers doen aan computing

936 : Alan Turing On Computable Numbers Turing Machine Kan elk getal berekend worden? Wat is dat eigenlijk, berekenen? Gewoon computeren

Een machine van Turing. Hypothetisch, wiskundig model Toestand Afhankelijk van de toestand en de waarde onder de leeskop: Schrijf //spatie Schuif Kop rechts/links Ga naar toestand X Leeskop x y Aandrijfwiel band Oneindige band

Bijvoorbeeld: vermenigvuldig met 2 Input: een band met het getal in het binair stelsel Een verzameling regels # -> L 2; -> L ; -> L ; # -> R 2; -> L ; -> L ; 2 # -> # L h; 2 * -> * R 2; x x http://math.hws.edu/tmcm/java/labs/xturingmachinelab.html

Een ander voorbeeld: spring Input: een band met willekeurige tekens Verplaats de kop over een aaneensluitende rij tekens (L of R) y y z x * -> * L ; # -> # R 2; * -> * L 3; 2 # -> # R 4; 2 * -> * R 2; 3 # -> # L 5; 3 * -> * L 3; 4 # -> # L 5; 4 * -> * R 4; 5 * -> * R h; y y z x

Nog een ander voorbeeld Een machine die niet stopt y z x # -> L ; * -> * R h; y z x

Een algemene machine? Bestaan er Turing machines die alle andere Turing machines kunnen simuleren? Turing bewees dat dergelijke machines bestaan. We noemen ze universele Turing machines Hun eindige versies zijn doorgedrongen in ons dagelijks leven. Input voor de machine Beschrijving van de machine

Vraag van Turing Kunnen we zeker zijn dat een Turing machine stopt voor een bepaalde input? (de toestand h bereikt) Kunnen we voor elke machine bepalen of ze ooit stopt op een bepaalde input?

Even nadenken Als we dat konden, dan zouden we een machine kunnen maken die een functie h berekent. We kunnen de beschrijving van p op een band schrijven en als invoer gebruiken. Wat is de waarde van h(p,p)? Machine p Met invoer i h(p,i) = als machine p niet stopt op invoer i h(p,i) = als machine p stopt op invoer i : machine stopt niet : machine stopt

Even nadenken Gegeven een willekeurige machine die een functie van twee argumenten berekent: f(x,y) Maak een machine voor het algoritme g(x,y) Deze machine stopt enkel als f(x,y) = Zolang (f(x,y) <> ) doe niks g(x,y) = Wat is de waarde van h(g,g)?

Even nadenken We tonen aan dat h(e,e) <> f(e,e). Maar f was een WILLEKEURIGE machine h verschilt dus van alle mogelijke machines!!! f(e,e) = => g(e,e) stopt, h(e,e) = f(e,e) <> => g(e,e) stopt niet, h(e,e) = h(e,e) <> f(e,e)!!! Een Turing machine kan dus niet alle mogelijke functies berekenen!

These van Turing en Church Voor elke functie die we natuurlijkerwijs beschouwen als berekenbaar bestaat er een Turing machine om ze te berekenen. There exists or can be built a universal computer that can be programmed to perform any computational task that can be performed by any physical object" http://math.hws.edu/tmcm/java/labs/xturingmachinelab.html

Gegeven een lijst met steden. Je moet alle steden juist keer bezoeken, terugkeren waar je begon en een ZO KORT MOGELIJKE AFSTAND AFLEGGEN Is alles gezegd?

Bestaat er een Turing machine voor het probleem van de reizende koopman? Ja, er zijn immers slechts een eindig aantal mogelijkheden. (Zij het zeer veel!) Traveling Salesman

Traveling Salesman Bestaat er een Turing machine die de beste oplossing vindt in een aanvaardbare tijd? Dat weten we niet. Alle bekende methodes hebben een tijd nodig die exponentieel toeneemt met het aantal steden. 6 4 2 8 6 4 2 effect van het aantal steden n n^2 log(n) exp(n) n! 2 3 4 5 6 n

Kunnen we beter doen? Noteer de steden a,b,c,d,e,f, abcdef bacdef acbdef cabdef... bcadef cbadef abdcef Kunnen we alle mogelijkheden tegelijkertijd onderzoeken? Parallelle computers zijn geen optie: het aantal benodigde processoren neemt toe met de exponent van het aantal steden.

Bestaat er dan een manier om verschillende waarden tegelijk voor te stellen? Ja KwantumTOESTANDEN

Twee spleten experiment http://www.youtube.com/watch?v=dfpeprq7ogc

Op het ogenblik van de passage bevindt het electron zich in een soort mengtoestand: superpositie Deze wordt verbroken door de waarneming Kwantumtoestanden

Laten we eenvoudig beginnen Een beam splitter is een halfdoorlatende spiegel De helft van het inkomende licht kaatst terug (Reflectie) De andere helft gaat door (Transmissie) Dit gebeurt ook met één foton

Beam splitters : de reflectie of de transmissie van foton kan niet deterministisch zijn.

Beam splitters : interferentie Intensiteit afhankelijk van stand van de spiegel Constructieve/destructieve interferentie

Beam splitters : hoe kan dit gebeuren met foton R TT RR T TR RT

Wat is de waarschijnlijkheid van TT,RR,RT,TR? Laplace: indien we niets weten over de waarheid van een uitspraak, dan is de waarschijnlijkheid ervan ½. Bayes: A en B (onafhankelijke) gebeurtenissen, P A en P B de waarschijnlijkheden, waarschijnlijkheid P A of B = P A + P B

Toegepast op de Beam Splitter R U TT RR T P TT = P RR = P RT = P TR = ¼ P U = P TT of RR = P TT + P RR P L = P TR of RT = P TR + P RT EN KAN DUS NOOIT NUL ZIJN L TR RT

Waarschijnlijkheidsamplitudes Feynman: als de gebeurtenissen fysisch niet te onderscheiden zijn, gebruik dan waarschijnlijkheidsamplitudes! A TT =(½, ½), A RR =(-½, ½) A TR =(½, -½), A RT =(-½, ½) A TT of RR = (½ - ½, ½+½) = (,) P TT of RR = (½ - ½) 2 + (½+½) 2 =

Waarschijnlijkheden en hun amplitudes ½ -½ ½ -½

L en U dectector amplitudes R T TT RR TR RT U-detector L-detector TR RT Alles naar U TT RR RT TR Gedeeld U en L TT RR

Zien in het donker R T L U TT RR P RT = P RR = ½ P TT = P TR = TR RT Hoewel de bom afgaat bij één foton is er een kans dat we hem zien!

Een ander voorbeeld: Polarisatie Licht is gepolariseerd Loodrecht op de richting kunnen we de polarisatie meten Dit gebeurt ten opzichte van twee assen (V en H) H V

Een ander voorbeeld: Polarisatie Een polarisatiefilter laat licht van een bepaalde polarisatie door Als deze polarisatie geroteerd is t.o.v. die van de invallende lichtbundel wordt slechts een deel doorgelaten H V V H

Een ander voorbeeld: Polarisatie Dit gebeurt (klassiek) door projectie Wat in het geval van foton? -> amplitudes!

Een ander voorbeeld: Polarisatie Bij opeenvolgende polarisatieschermen wordt de kans van transmissie telkens bepaald door de grootte van de amplitude na projectie Het foton heeft na transmissie de juiste polarisatie.

982: Richard Feynman Elk eindig fysisch object kan door een universele simulator nagebootst worden

Bits en Qubits Computers : en Natuur (dna) : AGCT (Adenine, Guanine, Cytosine, Thymine) Hoeveel informatie bevat bit?

Shannon s informatietheorie Informatie is complementair aan willekeur Eens we weten wat de uitkomst is hebben informatie gewonnen Munt : P(kop) = ½ P(letter) = ½ Na de opworp kennen we bit meer

Hoe zit dat in de Kwantumwereld? Het foton beslist niet op voorhand Het kiest bij elke spiegel Het bevat een oneindige hoeveelheid informatie! Een qubit

Rekenen met qubits gebeurt met amplitudes R U TT RR T U L TR RT L TR RT Alles U TT RR RT TR U en L TT RR

In het geval van polarisatie Na passage door een P. filter heeft het foton een polarisatie volgens de as van het filter Bij het volgende filter zal het passeren of niet passeren op basis van de amplitude

Kwantum poorten Klassieke computers zijn opgebouwd uit logische poorten Bestaat er iets dergelijks voor Kwantumcomputers?

Principe van Landauer Waarom warmen computers op? Landauer (96*): Wanneer er een bit informatie wordt vernietigd moet warmte afgegeven worden

Belang voor de Kwantum computer Warmte vertelt iets over wat er in de computer gebeurt, dit is een observatie Kwantum poorten mogen geen informatie verloren laten gaan. Ze moeten reversibel zijn

Kwantum poorten: Toffoli poorten Poorten worden gekarakteriseerd door waarheidstabellen Output And Input C B A C B A Toffoli output Toffoli input

Not en And met Toffoli poorten Garbage (rommel) bits C NOT C A A B B A AND B Bennet: reversibele Turing machines

Kwantum geheugen D U P = ½=( ½) 2 A = ( ½, ½ ) (T,R) U One QUBIT D Superpositie P = ½=( ½) 2

Effect van een beam splitter D D (,) ( ½, ½ ) (,) ( ½, - ½ ) U D 45 U D U U 45

Kwantum geheugen D U (,) ( ½, ½ ) (, ) D 45 U D 45 U D U

Waar zit de computer? D U D U Kwantum computer: parallel reversibel rekenen D U

Poorten Een Beam Splitter roteert de amplitueds 45 graden We noemen dit een Hadamard poort Klassiek hebben twee H s het effect van een NOT D U (,) (, ) D U H H NA METING!

Universele Kwantum poorten Het is niet moeilijk om Toffoli of analoge poorten te maken Deze laten toe om alle KLASSIEKE poorten te bouwen Maar Wat we nodig hebben zijn Kwantum poorten (bijv. Hadamard) Universele poorten laten toe alle reversibele berekeningen te doen.

Aangepaste these van Turing en Church There exists or can be built a universal quantum computer that can be programmed to perform any computational task that can be performed by any physical object"

Controlled Not poorten CN poort target inverteer target a.s.a control = control Implementatie met behulp van beam splitters en gepolariseerd licht is mogelijk. Tar Con Tar Con

Een eenvoudige kwantumcomputer Onze computer zal kunnen vermenigvuldigen met 2! Hij wordt wel reversibel gedefinieerd : een bit extra voor de overdracht Input Output O Input Output CY One CY One O

Realisatie met CN poorten Input CY One O Output CY One Nog geen Quantum computing! http://jquantum.sourceforge.net/jquantumapplet.html target control target control

Een Kwantum CN poort De Hadamard poort maakt een superpositie van en! De computer berekent nu ZOWEL x2 als x2 De uitkomst is natuurlijk ook een superpositie Probeer die te lezen en Je krijgt of SO WHAT?! target control H

Het probleem van David Deutsch Gegeven een ja/nee vraag (voorbeelden genoeg!) die misschien afhangt van een ja/nee beslissing (ook voorbeelden). Kan ik uitmaken of de beslissing inderdaad invloed heeft? De berekening zal lang duren ik kan ze geen twee keer doen.

Het algoritme van Deutsch David Deutsch bedacht het schema hiernaast. De rode operator transformeert de amplitudes H? H H y y(-) f(x) x

Het algoritme van Deutsch (,) H ½ (,) y y(-) f(x) x (,) H ½ (-,) H? 45 MAGIC CIRCLE

Het algoritme van Deutsch (,) H ½ (,) Product van de amplitudes * ½ y= y= ½ (-,) (,)? H H x= x= -(-) f() (-) f() -(-) f() (-) f() y MAGIC CIRCLE *(-) f(x) 45 Na de laatste Hadamard *½ x= y= y= -(-) f() -(-) f() -(-) f() -(-) f() x= -(-) f() +(-) f() -(-) f() +(-) f() x

Het algoritme van Deutsch (,) H ½ (,) ½ (-,) (,)? H H De Kwantumcomputer beslist f()=f() in één keer! Als f() = f() meten we x = *½ x= x= Als f() <> f() meten we x = *½ x= x= y= y= y= y=

Andere algoritmen Uitbreiding van Deutsch algoritme tot functies van n bits Factorisatie algoritme van Shor: vindt waarschijnlijk de priemfactoren van een getal Zoekalgoritme van Grover: vindt met 5% zekerheid een willekeurig element in een verzameling van N elementen in een tijd evenredig met vierkantswortel N

Toestand Veel theoretische vragen blijven open Wat is Kwantuminformatie? Welke problemen kunnen we (niet) oplossen met een QC? 26 cage a qubit in a buckyball 2 qubit Kwantum computer Seven atoms -> Kwantum gate, 27 Single electron qubit memory. D-Wave Systems 28-qubit qc 28 quantum bit stored Superior qc test developed http://en.wikipedia.org/wiki/timeline_of_quantum_computing