Meta & Fysikken: Afsnit 71: Nobelpriser og kvantehalløj....
Nobelprisen i fysik har meget at gøre med kvantecomputere, så nu tager vi lige et deep dive.
1. Nobel prisen i fysik
2. Baggrund
3. Dansk Kvante center
4: Quantum Computer news
1:Nobelprisen
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/
Alain Aspect - Institut d’Optique Graduate School – Université Paris-
Saclay and École Polytechnique, Palaiseau, France
John F. Clauser - J.F. Clauser & Assoc., Walnut Creek, CA, USA
Anton Zeilinger - University of Vienna, Austria
“for experiments with entangled photons, establishing the violation of Bell inequalities and pioneering quantum information science”
The ineffable effects of quantum mechanics are starting to find applications. There is now a large field of research that includes quantum computers, quantum networks and secure quantum encrypted communication.
One key factor in this development is how quantum mechanics allows two or more particles to exist in what is called an entangled state. What happens to one of the particles in an entangled pair determines what happens to the other particle, even if they are far apart.
>Der er flere kvantetal, her leger vi med spin.
>Der er universel bevarelse af disse kvantetal. Ladning, spin, etc.
>Man kan lave et 'Entangled pair' ud af rå energi. Parret har modsatte kvantetal. Dermed er der bevarelse af kvantetallet (som var nul før skabelsen).
Entagled:
According to quantum mechanics, particles can be "entangled", spookily connected so that if you manipulate one then you automatically and immediately also manipulate the other. If this spookiness – particles far apart mysteriously influencing each other instantaneously – were to be explained by the particles communicating with each other through hidden variables, it would require faster-than-light communication between the two, which Einstein's theories forbid.
For a long time, the question was whether the correlation was because the particles in an entangled pair contained hidden variables, instructions that tell them which result they should give in an experiment. In the 1960s, John Stewart Bell developed the mathematical inequality that is named after him. This states that if there are hidden variables, the correlation between the results of a large number of measurements will never exceed a certain value. However, quantum mechanics predicts that a certain type of experiment will violate Bell’s inequality, thus resulting in a stronger correlation than would otherwise be possible.
John Clauser developed John Bell’s ideas, leading to a practical experiment. When he took the measurements, they supported quantum mechanics by clearly violating a Bell inequality. This means that quantum mechanics cannot be replaced by a theory that uses hidden variables.
>Det vil sige at hver partikel har en sandsynlighedsfunktion der beskriver dets spin.
>Når man måler dets spin, så kollapser sandsynlighedsfunktionen, og man får en bestemt værdi. Pga universel bevarelse af spin, så har dets tvilling (entagled partner) det modsatte spin.
Some loopholes remained after John Clauser’s experiment. Alain Aspect developed the setup, using it in a way that closed an important loophole. He was able to switch the measurement settings after an entangled pair had left its source, so the setting that existed when they were emitted could not affect the result.
Using refined tools and long series of experiments, Anton Zeilinger started to use entangled quantum states. Among other things, his research group has demonstrated a phenomenon called quantum teleportation, which makes it possible to move a quantum state from one particle to one at a distance.
“It has become increasingly clear that a new kind of quantum technology is emerging. We can see that the laureates’ work with entangled states is of great importance, even beyond the fundamental questions about the interpretation of quantum mechanics,” says Anders Irbäck, Chair of the Nobel Committee for Physics.
Clauser: https://phys.org/news/2022-10-nobel-physics-winner-topple-quantum.html
Zeilinger: Video med sløjfer i konvolutter
https://www.youtube.com/watch?v=ZuvK-od647c&list=WL&index=95
2A: Som forskellen på et sterinlys og en glødepære
Fysikken bagved er en helt anden, og man kommer aldrig til at have en glødepære lige meget hvor meget man forbedrer sterinlyset.
På samme måde er Kvante-computeren grundlæggende helt anderledes end en normal computer, og den bygger grundlæggende på andre fysiske principper/love.
En almindelig computer er et elektrisk netværk, der består af milliarder af transistorer. Hver transistor kan enten være tændt eller slukket - og dermed være i én ud af to mulige tilstande ad gangen. Hvis man har 8 transistorer, så har man 265 mulige kombinationer.
En kvantecomputer består derimod af kvantebits og hver kvantebit har to energiniveauer, ligesom tændt eller slukket, men behøver ikke at være enten eller. En kvantebit kan være i en blandingstilstand, som man kalder en superposition. Hvis man har 8 Kvantebits (Qbits), så kan de være alle 256 kombinationer på en gang.
Når man taler om udviklingen af kvantecomputeren, så taler man om processoren, i en klassisk computer normalt kaldet en CPU, som er der, hvor regnekraften er. I en kvantecomputer kaldes den tilsvarende enhed for en QPU (Quantum Processing Unit), som består af kvantebits (qubits).
https://nbi.ku.dk/Nyheder/temaer/kvantecomputeren/
2B: Hvad er Kvantebits?
Byggeklodserne er selvfølgelig kvantebits. Men hvorfor er de bits egentlig så vigtige?
Kvantebits er de kvantefysiske enheder, som en kvantecomputer skal bruge til at lagre information og løse opgaver. Helt ligesom den computer eller telefon, du sidder på lige nu, bruger bits, når den skal arbejde for dig.
Alle computere - også kvantecomputeren - regner gennem et binært sprog, der består af en uendelig række af 0 og 1:
En ‘almindelig’ bit gemmer på informationen 1. En anden på 0. Og tilsammen gemmer de på den binære kode 10.
Men ‘almindelige’ bits kan kun være enten 0 eller 1. Til forskel kan kvantebits - som alle andre ting i kvantefysikken - være to steder samtidig. Det betyder, at en kvantebit kan være både 0 og 1.
Fordi kvantebits både kan være 0 og 1, stiger kvantebits’ regneevne eksponentielt med antallet af kvantebits - i modsætning til normale bits, som skalerer lineært.
»Det betyder, at når man er oppe på at have en kvantecomputer på 80 kvantebits, så kan man faktisk kode mere information i den computer, end mennesket nogensinde har kodet før,
»Det er dét, der gør teknologien så potent,« fastslår han.
2C: Flere måder at lave kvantebits på
Kvantebits er fysik i sin allermindste skala. En kvantebit skabes af en kvantefysisk nanopartikel som en elektron, en foton eller et atom, der altså kan udnyttes til at lagre information.
Konkret gøres det ved at indkapsle partiklerne i et lidt større - men stadig meget, meget småt - stykke hardware i form af en mikrochip, der kan være omkring 10 gange mindre end tykkelsen på et hårstrå. På den måde kan partiklerne holdes under kontrol og bruges som bits.
Spørgsmålet om, hvilken partikel der så er bedst til det formål, er blandt andet det, som deler kvantebit-ræset i flere felter. Lige nu er der i omegnen af 8 felter i kvante-ræset, vurderer Morten Kjaergaard.
3 eksempler:
1) Fosfor atom og dets elektroner. Her manipulerer de spin stadierne af både atomkernen og elektronerne med magneter.
2) Morten Kjaergaard fra Center for Kvanteelektronik på NBI, hvor de arbejder på de superledende kvantebits:
Kvantebits er egentlig ikke svære at lave. Vi kan nemt lave 100 kvantebits. Tricket er at lave bedre kvantebits og at lave kvantebits, der mærker omgivelserne så lidt som muligt, men stadig så meget, at vi rent faktisk kan arbejde med dem. Støj er hvad de kæmper imod. Eletronisk støj. Derfor de kolde temperaturer.
3) Peter Lodahl er leder for Hybrid Quantum Networks (Hy-Q) på NBI, og forsker i fotoniske kvantebits til kvantecomputere - det vil sige bits baseret på lys. Også her er der støj at kæmpe imod.
2D: Applications
Quantum computers are needed because classical computers cannot model large molecules; they are just too complex.
-For example, to create a simulation of the penicillin molecule with 41 atoms, a classical computer would need 1086 transistors, which is "more transistors than there are atoms in the observable universe". For a quantum computer, it would only require a processor with 286 qubits (quantum bits).
Eller andet medicin mod ting som alzheimer.
-Kryptering. Både at dekryptere 'fjendens' og lave en sikker kryptering for os selv
-Another potential application for quantum computing is the study of artificial photosynthesis, and how light is converted to chemical energy through an organic chain of reactions.
-Another big problem quantum computers could help solve is the creation of fertilizers. Triple nitrogen bonds are currently broken under high temperature and pressure conditions in the presence of an iron catalyst to create fixed nitrogen for fertilizer.
Finding a different catalyst that can make fertilizer more effectively could save a lot of money and energy.
3: Dansk investering og nyt centrum for kvante computer:
https://www.tv2lorry.dk/koebenhavn/derfor-konkurrerer-supermagter-om-at-udvikle-kvantecomputere
https://copenhagensciencecity.dk/quantum-research-hotspot-attracts-nato-rd-centre/
https://investindk.com/insights/new-danish-nato-center-for-quantum-technology
NATO Center for kvanteteknologi:
Kvantecomputeren er ikke bare interessant i en forskningssammenhæng eller som en idé på papiret. Store tech-virksomheder som IBM, Google og Microsoft er i fuld sving med at udvikle hver deres kvantecomputer. IBM har som mål at hav en fungerende kvante-computer med 1000 Qbits is 2023. Det er dem der lige nu er lœngest.
Kvantecomputeren og den kvanteteknologiske udvikling har også fanget den militære alliance NATOs opmærksomhed. NATO meddelte i starten af 2022, at de vil placere et center for udvikling af kvanteteknologi i København.
Centeret kommer i kølvandet på en ambition om, at udvikle transatlantisk innovation.
- Kvantecomputere er en del af en teknologiudvikling, som er en konkurrenceparameter i forholdet mellem NATO og Kina, g NATO og Rusland. NATO vil være dårligt stillet, og vil måske endda kunne blive sårbare, hvis kineserne får udviklet kvantecomputere, som er meget stærkere end dem, man kan opnå i vesten, siger Tobias Liebetrau, der blandt andet forsker i cybersikkerhed og er medforfatter på rapporten 'Teknologikonkurrencen og dens implikationer for Danmark', der er udgivet i samarbejde med Center for Militære Studier.
Kvanteprogram med Novo Nordisk
Danmarks første fuldt funktionelle kvantecomputer skal se dagens lys i 2034. Sådan lyder målsætningen i et ambitiøst kvanteprogram, som nu indledes i samarbejde mellem Københavns Universitet og Novo Nordisk Fonden. Kvantecomputeren skal hjælpe med udviklingen af ny medicin og give nye indsigter i klimaforandringer og den grønne omstilling, som det ikke er muligt at få med klassiske computere i dag.
Med en bevilling fra Novo Nordisk Fonden på knap 1,5 milliarder kroner skal forskere på Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet arbejde målrettet mod at gøre det, som techgiganter og stormagter verden over ikke er lykkedes med endnu: at bygge en fuldt funktionel kvantecomputer.
Programmet vil løbe over hele 12 år og skal udfoldes i samarbejde med partnere fra førende universiteter og industrier i bl.a. USA, Canada, Holland og Danmark, der hver især bibringer vigtig specialviden til projektet.
Planen er:
Novo Nordisk Foundation Quantum Computing Programme kommer til at holde til på det nuværende Niels Bohr Institut på Blegdamsvej i København. En del af bevillingen går til at etablere Quantum Foundry P/S, som er et partnerselskab, der placeres i forbindelse med programmet. Dette selskab er en fabrikationsenhed, som leverer materialer og hardware til forskerne i programmet, og som arbejder meget tæt sammen med resten af programmet.
I løbet af de første syv år vil forskerne og ingeniørerne udvikle materialer og hardware til kvantecomputeren. Forskerne skal som en start etablere kapaciteterne til at sideløbende udvikle tre af de mest lovende kvanteteknologiplatforme. Det vil skabe et forsknings- og udviklingsmiljø, som vil have den bedste mulighed for at bestemme, hvilken eller hvilke dele af forskellige platforme der er mest egnede at bygge videre på.
De andre store initiativer i verden har allerede valgt deres platform, som de prøver at gøre så god som mulig. Men vi forudser, at mange af dem løber ind i en blindgyde på et tidspunkt, hvor der vil være fundamentale begrænsninger enten i kvaliteten af kvantebits eller i forhold at skalere op. Vi vil bruge syv år på at finde den platform, der giver den største mulighed for at bygge en brugbar kvantecomputer. Vi skal have is i maven for at lykkes med projektet
https://www.tv2lorry.dk/koebenhavn/derfor-konkurrerer-supermagter-om-at-udvikle-kvantecomputere
4: Kvante Computer Nyheder:
4A: Australian scientists have created the world's first-ever quantum computer circuit – one that contains all the essential components found on a classical computer chip but at the quantum scale.
"This is the most exciting discovery of my career," senior author and quantum physicist Michelle Simmons, founder of Silicon Quantum Computing and director of the Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology at UNSW told ScienceAlert.
Not only did Simmons and her team create what's essentially a functional quantum processor, they also successfully tested it by modeling a small molecule in which each atom has multiple quantum states – something a traditional computer would struggle to achieve.
This suggests we're now a step closer to finally using quantum processing power to understand more about the world around us, even at the tiniest scale.
4B: Kina har lavet en Kvantecomputer med 66 Qubits (2021).
Til sammenligning består Google’s Sycamore project af en 54 qubit processor
https://www.sciencealert.com/china-s-latest-56-qubit-computer-marks-another-quantum-milestone
(It is 66, Sciencealert made a mistake.)
That means Zuchongzhi can claim quantum supremacy, a status in quantum computing that indicates a machine can complete tasks beyond the best classical computers.
Zuchongzhi uses optical circuits and photons to manage and process its qubits, whereas Sycamore is based on electrons and superconductors.
4C: Kvanteoptik - Qbits bestående af lys, kan opbevares ved stue temperatur med denne opdagelse