Kvantno sprezanje parova fotona od velikog je značaja u kvantnoj optici te nalazi primjenu u područjima kvantne kriptografije, kvantne teleportacije i razvoju kvantnih računala. S obzirom na brzinu prijenosa informacija i slabu interakciju sa okolinom, fotoni su idealni za brz, efikasan i siguran prijenos informacije te imaju veliku ulogu u razvoju kvantnih komunikacijskih mreža. U ovom diplomskom radu opisan je eksperimentalni postav za dobivanje polarizacijski spregnutih parova fotona valnih duljina 810 nm koji je realiziran u Istraživačkoj jedinici za fotoniku i kvantnu optiku Instituta Ruder Bošković u Zagrebu. Osim opisa realizacije postava, predstavljeni su eksperimentalni rezultati mjerenja korelacije polarizacijskih stanja spregnutih fotona te je potvrdeno narušenje Bell-ove nejednakosti u CHSH obliku od 114 standardnih devijacija od klasične granice.
Kvantno sprezanje parova fotona od velikog je značaja u kvantnoj optici te nalazi primjenu u područjima kvantne kriptografije, kvantne teleportacije i razvoju kvantnih računala. S obzirom na brzinu prijenosa informacija i slabu interakciju sa okolinom, fotoni su idealni za brz, efikasan i siguran prijenos informacije te imaju veliku ulogu u razvoju kvantnih komunikacijskih mreža. U ovom diplomskom radu opisan je eksperimentalni postav za dobivanje polarizacijski spregnutih parova fotona valnih duljina 810 nm koji je realiziran u Istraživačkoj jedinici za fotoniku i kvantnu optiku Instituta Ruder Bošković u Zagrebu. Osim opisa realizacije postava, predstavljeni su eksperimentalni rezultati mjerenja korelacije polarizacijskih stanja spregnutih fotona te je potvrdeno narušenje Bell-ove nejednakosti u CHSH obliku od 114 standardnih devijacija od klasične granice.
Sigurno ste se već susreli s pojmom kvantno računalo, tj.s novim tipom računala koje bi u odnosu na klasično računalo trebalo biti superiorno u obavljanju specifičnih zadataka kao što su dešifriranje kriptiranih podataka, simulacija kvantnih procesa u fizici čvrstoga stanja i kemiji, u strojnom učenju, itd.Sam koncept kvantnog računala počeo se razvijati tijekom 80-tih godina te su do danas uspješno formulirani različiti algoritmi koji se temelje na principima kvantne mehanike.Medutim, razvoj uredaja na kojima bi se ti algoritimi trebali izvršavati ne teče baš tako glatko.Za razliku od klasičnih računala koja podatke spremaju u bitove s dobro definiranim stanjima 0 i 1, kvantna računala koriste qubitove koji mogu biti i u stanju izmedu 0 i 1. Pokazalo se da je tehnički vrlo zahtjevno napraviti veliki broj qubitova i držati ih u stanjima superpozicije tijekom izvodenja algoritma.Kvantni procesor radi na vrlo niskim temperaturama, a stanja superpozicije vrlo lako mogu uništiti različiti tipovi šumova kao što su termičke vibracije, elektromagnetske smetnje, kozmičke zrake i slično.U praksi veliki broj qubitova mora biti rezerviran za ispravljanje grešaka uzrokovanih šumom, pa ih malo ostaje za same izračune, tako da jedan od sugovornika u članku iz časopisa Nature iz 2023.godine pesimistično kaže da kvantna računala trenutno nisu korisna ni za što [1].Naravno, uz odgovarajuće inovacije i tehnički napredak kvantna računala bi mogla odjednom postati vrlo korisna.Nemojte zaboraviti da kvantne algoritme već imamo.U ovom članku nećemo se baviti tehničkim detaljima rada takvog uredaja, nego ćemo se koncentrirati na principe kvante mehanike i kako iz njih slijedi ideja za kvantno računanje.Započet ćemo s osnovama linarne algebre, povezati sve s qubitovima i superpozicijom stanja te u drugom dijelu pogledati kvantna vrata koja u specijalnim slučajevima imaju analogone u klasičnim logičkim vratima i spomenuti neka koja nemaju.Pritom ćemo u nekim dijelovima slijediti udžbenik Introduction to Quantum Computing autora H. Y. Wong-a [2].
Kroz problem mjerenja Kvantna mehanika se suocava s pomirbom kolapsa složene teoretske evolucije sustava u jedinstveni eksperimentalno zamijeceni ishod. U posljednjih 75 godina razvijen je citav niz tumacenja formalizma teorije kako bi se objasnio raskorak između teoretski predviđenog i iskustveno zamijecenog, a da pri tome vrijednost same teorije nije eksperimentalno dovedena u pitanje. Pokusaji tumacenja formalizma mogu se ugrubo podijeliti u metafizicka i epistemoloska objasnjenja. Dok metafizicka postuliraju postojanje dodatne strukture na mikro-nivou (koja je u pravilu nedostupna motrenju), epistemoloska nastoje pronaci razloge za fundamentalna ogranicenja covjekove spoznajne sposobnosti na mikro-nivou. Međutim, metafizicka objasnjenja nemaju dodatnog empirijskog sadržaja u odnosu na epistemoloska. Jedno suvremeno epistemolosko tumacenje, ono C. A. Fuchsa, temelji se na novim spoznajama iz podrucja Kvantne informacijske teorije, posebice recentne pojave teleportacije. Na osnovi te i slicnih pojava Fuchs zakljucuje da kvantno stanje nije potpun niti objektivan opis zbiljnog fizickog mikro-sustava. Takvog opisa nema u formalizmu Kvantne mehanike. Kvantna stanja samo su racionalne subjektivne procjene fizicara eksperimentatora o posljedicama njezinih buducih mjernih intervencija na određenom fizickom sustavu. Pri derivaciji ovakvih zakljucaka Fuchs se koristi principnom metodologijom razvoja fizikalnih teorija, onako kako Einstein opisuje vlastite postupke pri razvoju Specijalne i Opce relativnosti. Fuchs iz temelja razvija djelomicno modificirani formalizam teorije, za koji tvrdi da nije opterecen problematicnim temeljima kao standardni formalizam. Ukratko se razmatra opca uspjesnost ovog Einsteinovog metodoloskog modela, posebno u svjetlu kritike Browna i Pooleya, te Saundersova opca kritika epistemickih interpretacija formalizma. Kao jedinu svoju metafizicku pretpostavku Fuchs navodi intrinzicnu osjetljivost zbilje na mjerne intervencije, svojstvo koje onemogucuje potpuno sigurno predviđanje buducih mjernih ishoda i stjecanje potpune informacije o sustavima na mikro nivou. Formalnu manifestaciju ove pretpostavke on nalazi u izmjeni standardne Bayesove statistike, izlucujuci, na taj nacin, iz nje novi formalizam Kvantne mehanike. Ovakav postupak, međutim, slici na uklanjanje kumulativnosti iz formalizma Bayesove statistike, koje provodi Williamson kako bi pružio formalisticku potkrjepu svojem modelu znanja kao mentalnog stanja. Uloga koju Williamson pripisuje znanju podudarna je sa pretpostavljenim stanjima Fuchsovih hipotetskih fizicara dok koriste formalizam Kvantne mehanike pri provedbi mjernih intervencija. Postavlja se pitanje je li navodna intrinzicna osjetljivost zbilje na mikro-nivou, samo formalna posljedica potrebe uklanjanja kumulativnosti iz operativne verzije Bayesove statistike, sto pak povlaci nužno odustajanje od teoretske mogucnosti potpune sigurnosti pri predviđanju buducih ishoda. Fuchsov model trenutno ne sadrži dodatne empirijske sadržaje vezane uz danu metafizicku pretpostavku.
Kroz problem mjerenja Kvantna mehanika se suocava s pomirbom kolapsa složene teoretske evolucije sustava u jedinstveni eksperimentalno zamijeceni ishod. U posljednjih 75 godina razvijen je citav niz tumacenja formalizma teorije kako bi se objasnio raskorak između teoretski predviđenog i iskustveno zamijecenog, a da pri tome vrijednost same teorije nije eksperimentalno dovedena u pitanje. Pokusaji tumacenja formalizma mogu se ugrubo podijeliti u metafizicka i epistemoloska objasnjenja. Dok metafizicka postuliraju postojanje dodatne strukture na mikro-nivou (koja je u pravilu nedostupna motrenju), epistemoloska nastoje pronaci razloge za fundamentalna ogranicenja covjekove spoznajne sposobnosti na mikro-nivou. Međutim, metafizicka objasnjenja nemaju dodatnog empirijskog sadržaja u odnosu na epistemoloska. Jedno suvremeno epistemolosko tumacenje, ono C. A. Fuchsa, temelji se na novim spoznajama iz podrucja Kvantne informacijske teorije, posebice recentne pojave teleportacije. Na osnovi te i slicnih pojava Fuchs zakljucuje da kvantno stanje nije potpun niti objektivan opis zbiljnog fizickog mikro-sustava. Takvog opisa nema u formalizmu Kvantne mehanike. Kvantna stanja samo su racionalne subjektivne procjene fizicara eksperimentatora o posljedicama njezinih buducih mjernih intervencija na određenom fizickom sustavu. Pri derivaciji ovakvih zakljucaka Fuchs se koristi principnom metodologijom razvoja fizikalnih teorija, onako kako Einstein opisuje vlastite postupke pri razvoju Specijalne i Opce relativnosti. Fuchs iz temelja razvija djelomicno modificirani formalizam teorije, za koji tvrdi da nije opterecen problematicnim temeljima kao standardni formalizam. Ukratko se razmatra opca uspjesnost ovog Einsteinovog metodoloskog modela, posebno u svjetlu kritike Browna i Pooleya, te Saundersova opca kritika epistemickih interpretacija formalizma. Kao jedinu svoju metafizicku pretpostavku Fuchs navodi intrinzicnu osjetljivost zbilje na mjerne intervencije, svojstvo koje onemogucuje potpuno sigurno predviđanje buducih mjernih ishoda i stjecanje potpune informacije o sustavima na mikro nivou. Formalnu manifestaciju ove pretpostavke on nalazi u izmjeni standardne Bayesove statistike, izlucujuci, na taj nacin, iz nje novi formalizam Kvantne mehanike. Ovakav postupak, međutim, slici na uklanjanje kumulativnosti iz formalizma Bayesove statistike, koje provodi Williamson kako bi pružio formalisticku potkrjepu svojem modelu znanja kao mentalnog stanja. Uloga koju Williamson pripisuje znanju podudarna je sa pretpostavljenim stanjima Fuchsovih hipotetskih fizicara dok koriste formalizam Kvantne mehanike pri provedbi mjernih intervencija. Postavlja se pitanje je li navodna intrinzicna osjetljivost zbilje na mikro-nivou, samo formalna posljedica potrebe uklanjanja kumulativnosti iz operativne verzije Bayesove statistike, sto pak povlaci nužno odustajanje od teoretske mogucnosti potpune sigurnosti pri predviđanju buducih ishoda. Fuchsov model trenutno ne sadrži dodatne empirijske sadržaje vezane uz danu metafizicku pretpostavku.
Sigurnost informacijsko komunikacijskih tehnologija, posebice racunalnih sustava, uvijek je važno pitanje. U zastiti podataka danas se najcesce koriste klasicni kriptografski sustavi. Razvojem kvantne teorije 80-ih godina proslog stoljeca javlja se ideja da bi kvantna teorija mogla dati modele racunala koji bi bili znatno jaci od klasicnih. Iako kvantna racunala jos uvije nisu prakticno konstruirana, njihov razvoj utjecao je na razvoj kvantne kriptografije. Razlika između klasicne i kvantne kriptografije je u nacinu obrade podataka. U ovom radu biti ce opisane prednosti i nedostaci kvantne kriptografije i mogucnosti zastite racunalnih sustava u trenutku pojave novih kvantnih racunala.
Istraživana je nelinearna interakcija atomskih para alkalija i laserskih izvora u razlicitim uvjetima. Elektromagnetski inducirana transparencija nastaje zbog interakcije izmedu kontinuiranih lasera i atomskih para rubidija u V shemi vezanja stanja. Transparencija je ponajvise rezultat smanjenja populacije osnovnog nivoa zbog saturacije prijelaza vezanog jakim veznim laserom. Usporedbom s teorijskim modelom zakljuceno je da, osim saturacije, i stvorena koherencija u atomima takoder doprinosi povecanju transparencije. Istražena je interakcija femtosekundnih pulseva s rezonantnim parama rubidija razlicitih koncentracija koristenjem tehnike frekventno razlucivog optickog uzorkovanja (FROG). Efekti prostiranja femtosekundnih laserskih pulseva opticki tankim sredstvom mogu se opisati stvaranjem 0-π pulseva kod kojih dolazi do znacajnih vremenskih modulacija elektricnog polja pulsa. Dobiveni rezultati usporedeni su s teorijskim simulacijama prostiranja pulsa rezonantnim medijem u okviru linearne disperzijske teorije, cime su odredene granice primjene FROG tehnike na karakterizaciju kompleksnih pulseva. FROG tehnikom mjereni su i pulsevi nakon rezonantne nelinearne interakcije s gustim parama rubidija. Rezultat takve interakcije je konusna emisija. U okviru aproksimacije adijabatske slijednosti zbog razlicitog predznaka razlike izmedu centralne valne duljine pulsa i valne duljine najbliže rezonantne linije dolazi do prostornog samofokusiranja odnosno samodefokusiranja. U frekventnoj domeni dolazi do samomodulacije faze pulsa koja takoder ovisi o predznaku razlike valnih duljina pulsa i rezonantne linije. Mjerenja faze pulsa potvrdila su gore navedene teze kroz razlicito ponasanje spektralne i vremenske faze pulsa ovisno o položaju spektra pulsa u odnosu na rezonanciju. Degenerirano cetverovalno mijesanje (DFWM) femtosekundnih pulseva u natrijevim parama mjereno je u režimu tranzijentne resetke u BOXCARS geometriji. Proucavan je vremenski razvoj UV emisije uzrokovane visefotonskom apsorpcijom u mediju kao i vremenski razvoj generiranog DFWM signala. Modulacije intenziteta tranzijenata objasnjavaju se kvantnim udarima zbog koherentnog pobudivanja stanja fine strukture. Period modulacije odreden je razlikom energija nivoa razlicitog spina. Modulacije eksponencijalno trnu u vremenu odredenom karakteristicnim vremenom relaksacija koherencija.
V magistrski nalogi je predstavljen problem, ki ga kvantno racunalnistvo prinese v sodobno kriptografijo. Predstavljen je model kvantnega racunalnika, ki temelji na kvantni teoriji, razložena je kvantna teorija, pojem kubita, kot bistven pojav kodiranja informacij s kvantnimi racunalniki, osnovne kvantne kriptografije in koncepti sodobne kriptografije s poudarkom na najbolj priljubljenih asimetricnih algoritmih sifriranja. Razložene in analizirane so paradigme post-kvantnih asimetricnih sifrirnih algoritmov, implementiranih v okvir projekta Open Quantum Safe, njihova ucinkovitost je primerljiva z najbolj popularnimi sodobnimi algoritmi. Za primerjavo ucinkovitosti je narejen test casovne in komunikacijske zahtevnosti izbranih algoritmov. Rezultati so prikazani graficno in opisno. Rezultati eksperimenta so pokazali, da obstaja ucinkovita kvantno odporna alternativa obstojecim asimetricnim sifrirnim algoritmom. Kvantni racunalniki, ne kot evolucija klasicnih, ampak kot popolnoma nova vrsta racunalnika, predstavljajo novo, fascinantno poglavje v racunalnistvu, ki se se mora razkriti.