La darrera dècada ha estat testimoni d'una revolució tecnològica sense precedents, però els seus fruits encara trigaran a arribar al gran públic.Em refereixo al desenvolupament dels primers prototips d'ordinadors quàntics, la majoria dels quals han estat construïts per empreses privades nordamericanes, amb algunes poques excepcions a la Xina i Europa.Aquest nou tipus d'ordinador fa els càlculs utilitzant les lleis de la mecànica quàntica, és a dir, la teoria física que descriu el comportament de les partícules microscòpiques, com àtoms i molècules, que formen tota la matèria.Per aquest motiu es pensa que els ordinadors quàntics seran molt més potents que els clàssics i podran realitzar en una fracció de segon tasques que per a un ordinador normal requeririen milions d'anys.No obstant això, els ordinadors quàntics disponibles actualment són molt fràgils i de mida petita, per la qual cosa encara no han assolit tot el seu potencial.A Europa, hi ha poques empreses que hagin construït o que es trobin en condicions de construir ordinadors quàntics, i encara menys les universitats o institucions públiques que estan immerses en aquesta cursa.A Catalunya, s'ha anunciat recentment que el Centre de Supercomputació de Barcelona (BSC, segons les sigles en anglès) disposarà del primer ordinador quàntic del sud d'Europa.Això podria situar el nostre país a l'avantguarda de la recerca en aquest àmbit.En els darrers anys, la computació quàntica ha suscitat un gran interès tant per part del sector públic (universitats i institucions estatals de recerca) com del sector privat, i ha generat tot un ecosistema en què gegants tecnològics com Google o Amazon conviuen amb empreses de petit format o fins i tot start-ups que desenvolupen algoritmes i maquinari.Darrere d'aquest boom de la computació quàntica hi ha les grans expectatives que la societat ha posat en aquesta nova tecnologia.Per exemple, hi ha algoritmes que, si s'implementessin en un ordinador quàntic, permetrien descompondre nombres en nombres primers (vegeu la nota 1) en molt menys temps del que necessita un ordinador normal, inclosos els superordinadors més potents.Això pot semblar abstracte, però els sistemes de criptografia que utilitzen els bancs per protegir les transaccions entre comptes corrents es basen en la generació de nombres aleatoris molt grans per després descompondre'ls en factors primers.Un ordinador quàntic podria desxifrar ràpidament aquestes claus i finestra a l'actualitat
La darrera dècada ha estat testimoni d'una revolució tecnològica sense precedents, però els seus fruits encara trigaran a arribar al gran públic.Em refereixo al desenvolupament dels primers prototips d'ordinadors quàntics, la majoria dels quals han estat construïts per empreses privades nordamericanes, amb algunes poques excepcions a la Xina i Europa.Aquest nou tipus d'ordinador fa els càlculs utilitzant les lleis de la mecànica quàntica, és a dir, la teoria física que descriu el comportament de les partícules microscòpiques, com àtoms i molècules, que formen tota la matèria.Per aquest motiu es pensa que els ordinadors quàntics seran molt més potents que els clàssics i podran realitzar en una fracció de segon tasques que per a un ordinador normal requeririen milions d'anys.No obstant això, els ordinadors quàntics disponibles actualment són molt fràgils i de mida petita, per la qual cosa encara no han assolit tot el seu potencial.A Europa, hi ha poques empreses que hagin construït o que es trobin en condicions de construir ordinadors quàntics, i encara menys les universitats o institucions públiques que estan immerses en aquesta cursa.A Catalunya, s'ha anunciat recentment que el Centre de Supercomputació de Barcelona (BSC, segons les sigles en anglès) disposarà del primer ordinador quàntic del sud d'Europa.Això podria situar el nostre país a l'avantguarda de la recerca en aquest àmbit.En els darrers anys, la computació quàntica ha suscitat un gran interès tant per part del sector públic (universitats i institucions estatals de recerca) com del sector privat, i ha generat tot un ecosistema en què gegants tecnològics com Google o Amazon conviuen amb empreses de petit format o fins i tot start-ups que desenvolupen algoritmes i maquinari.Darrere d'aquest boom de la computació quàntica hi ha les grans expectatives que la societat ha posat en aquesta nova tecnologia.Per exemple, hi ha algoritmes que, si s'implementessin en un ordinador quàntic, permetrien descompondre nombres en nombres primers (vegeu la nota 1) en molt menys temps del que necessita un ordinador normal, inclosos els superordinadors més potents.Això pot semblar abstracte, però els sistemes de criptografia que utilitzen els bancs per protegir les transaccions entre comptes corrents es basen en la generació de nombres aleatoris molt grans per després descompondre'ls en factors primers.Un ordinador quàntic podria desxifrar ràpidament aquestes claus i finestra a l'actualitat
[CA] La computació quàntica pretén donar un gir a tota la computació tal i como la coneixem. En els últims anys s’han realitzat grans avanços que inclús han aconseguit el desenvolupament de llenguatges d’alt nivell per a aquestes revolucionàries computadores. Aquestes revolucionàries arquitectures faciliten la solució de determinats tipus de problemes com la factorització de nombres enters, el logaritme discret o el logaritme discret de curva elíptica, entre altres, que són la base dels algoritmes criptogràfics actuals. Llavors, a pesar de què encara no existeixen computadores quàntiques tan potents com per a trencar les claus generades pels algoritmes criptogràfics actuals, s’està treballant ja en la criptografia postquàntica per a assegurar que els futurs algoritmes criptogràfics siguen robustos per afrontar possibles atacs quàntics en el futur. D’altra banda, hi ha una forta postura que assegura que mai s’aconseguirà construir una computadora quàntica competent. No obstant, la major part del esforç dedicat a la computació quàntica s’invirteix en desenvolupar mètodes de tolerància quàntica a fallades. En aquest treball es donarà a conèixer les bases de la computació quàntica, es presentaran diversos llenguatges quàntics d’alt nivell i les plataformes de simul·lació existents, i es realitzaran experiments per a determinar la capacitat de les computadores quàntiques actuals per a trencar l’encriptació RSA mitjançant l’algoritme quàntic de factorització Shor, analitzant així quánt prop- o lluny -queda la revolució computacional en termes de seguretat, i debatint -en contraposició- si en volta de parlar de supremacia quàntica hauríem de parlar d’utopia quàntica.
El camp de la informació quàntica, que sorgeix de la combinació entre la teoria de la informació i la física quàntica, ha experimentat un enorme progrés durant les darreres dècades, donant lloc a avenços revolucionaris en una àmplia varietat de camps interdisciplinaris, com ara la computació quàntica, la comunicació quàntica, els mesuraments d'alta precisió, i l'estudi fonamental de la teoria quàntica. No obstant això, les ambicioses metes en què la comunitat científica esta centrada, per exemple, la criptografia quàntica, els simuladors quàntics, o fins i tot la computació quàntica, tot just han començat a destacar.En la majoria d'aplicacions de la informació quàntica, per tal d'emmagatzemar i processar la informació s'utilitzen normalment sistemes amb un gran nombre d'àtoms, mentre que la llum s'utilitza com una eina per a manipular i realitzar operacions lògiques, així com per transmetre els bits quàntics entre nodes distants d'una xarxa quàntica. Per tant, la realització d'una interfície adequada entre la llum i els conjunts d'àtoms és essencial en la ciència de la informació quàntica. Quant a la interacció llum-matèria, un dels sistemes més rellevants són els àtoms de tres nivells en interacció amb un parell de camps electromagnètics. Els sistemes de tres nivells mostren una rica varietat de fenòmens quàntics a causa de les interferències produïdes degut a les dues vies d'absorció de la llum. Aquestes interferències quàntiques donen lloc, per exemple, a l'atrapament coherent de població, la transparència induïda electromagnèticament, o el passatge adiabàtic via estimulació Raman, que han trobat aplicacions en moltes àrees de la informació quàntica.Aquesta tesi, que recull el treball d'investigació que he realitzat durant el meu doctorat sota la guia i el suport dels meus supervisors i col·laboradors, se centra principalment en aplicacions de la informació quàntica amb àtoms de tres nivells en interacció amb camps electromagnètics, tant a nivell semi clàssic i com completament quàntic. Els tres primers capítols de l'obra es centren en l'estudi teòric de nous mètodes per implementar memòries quàntiques per qubits de fotons individuals en superposició de dues components, tant de la polarització com de la freqüència. Les memòries quàntiques són dispositius capaços d'emmagatzemar i recuperar a voluntat estats quàntics de la llum amb una alta eficiència i fidelitat, i són components essencials en moltes aplicacions de la informació quàntica, com ara en repetidors quàntics o en fonts de fotons individuals. Així, l'estudi de mètodes per emmagatzemar diferents tipus de codificació de la informació quàntica en fotons és una tasca essencial.D'altra banda, propostes addicionals en el context del processat d'informació quàntica, dutes a terme durant el meu doctorat, es recullen en els capítols finals. En particular, primer ens centrem en el problema de l'adreçament de llocs individuals per àtoms neutres ultra freds en xarxes òptiques amb un àtom per lloc. Aquesta proposta es du a terme mitjançant l'ús d'una tècnica de passatge adiabàtic selectiu segons la posició. A més, en segon lloc ampliem un model teòric capaç de proporcionar prediccions fiables sobre un experiment per a la producció de parells de fotons individuals, d'alta puresa i ample de banda controlat, utilitzant una configuració de conversió paramètrica espontània.
L'estudi de propietats de sistemes quantics formats per moltes particules es inherentment una tasca dificil. De fet, la solucio de problemes classics similars ja es un problema desafiant, encara mes complicat per la naturalesa quantica de les interaccions. Els recursos necessaris per l'estudi d'estats quantics en un espai de Hilbert creix exponencialment amb el nombre de particules. Resultats analitics son restringits a situacions particulars, i els resultats numerics son possibles nomes pera a poques particules. La teoria de la informacio quantica (QIT) proporciona una nova perspectiva per estudiar i explicar conceptes fonamentals de mecanica quantica, aprofitant aquest fenomens per dissenyar noves tecniques pel processat i manipulacio de la informacio. El desenvolupament de la QIT te una connexio directa amb els recents avencos experimental principalment en la interaccio de llum i la materia. Tot i tractar-se d'un camp relativament jove, aquest resultat teorics i experimental ja s'han traduit en aplicacions tecnologiques. La tesi s'ubica enmig de totes aquestes disciplines, actualment un camp de recerca molt fertil. Es centra en l'estudi de hamiltonians locals des de la perspectiva de la QIT, amb resultats en materia condensada. Es centra en metodes numerics per l'estudi de sistemes quantics formats per moltes particules, mostrant com resultats de QIT poden ser emprats en l'estudi de sistemes complexos. Es tracta d'un treball principalment numeric, amb resultats teorics pera a alguns casos particulars. Tot i aixo identifiquem propietats fonamentals dels sistemes quantics que apareixen indistintament en sistemes formats per especies completament diferents, fermions i bosons. Hem explorat les propietats fisiques dels estats termics de sistemes de moltes particules corresponents a situacions amb soroll termic. Estats termics son tipicament presents e escenaris experimentals, pero el seu estudi en llenguatge de la QIT es veu limitat per la dificultat de caracteritzar l' entanglement en estats mescla. Hem presentat un metode constructiu per mostrar la presencia de correlacions quantiques al sistema. A baixes temperatures, la fisica dels sistemes de moltes particules es dominada per les propietats de l'estat fonamental. Els hamiltonians locals poden ser simulats eficientment amb mitjans classics gracies a les propietats de l' entanglement de l'estat fonamental. Mostrem en aquesta tesi com la distancia d'interaccio juga un paper menor en aquest escenari, permetent una simulacio eficient en escenaris mes connectats que l'estandard regim d'interaccio al primers veins. La generalitat d'alguns dels resultats de la tesi permet una extensio directa. La nostra recerca actual es centra en la continuacio d'aquests resultats. Per una banda, la termodinamica quantica es un camp tan ampli que pot ser estes a multiples escenaris, en concret les geometries 2D permeten un millor estudi de la relacio entre lleis d'area i correlacions. Per altra banda, els metodes SDP desenvolupats en la tesi es poden adaptar a diferents problemes quantics, gracies a la seva generalitat basada en l' anticommutacio d'operadors.
Ben avanpt I'esperat any 2000, hem pogut comprovar que les prediccions més catastrofstes sobre I'arribada d'aquesta mítica data no s'han verificat.Pero més eniih de les observacions rnés superficiais que pot inspirar un cel ple d'esteis, al Centre de Lectura de Reus tenim un actiu grup de socis, agrupats a I'entom del Departament d'Astronornia, que des de fa anys estudien intensament i científcament i'univers que ens envolta.En aquest número hem volgut fer un rephs de quines han estat les activitats que durant els Últirns anys ha portat a teme aquest singular Departament de la nostra entitat, de la mh de Josep Cascajo, al qual hem voigut afegir les interessants visions que ens aporten isidro López i Andreu Martín, respectivament, sobre el centenari de la revolució quhntica i sobre les perspectives de l'astronomia en el nou mil-lenni.Recordant Einstein: cent anys de revolució quantica.. .o jugava Einstein als daus?' S un mal títol.A Einstein no se'l e recorda, se31 té present.vivim a repca Einstein.En l'últim any d'aquest segle i en els primers anys del segle que aviat encetarem, els científics i els amants de la ciencia tindran oportunitat de celebrar els primers centenaris de dos grans esdeveniments científics que van revolucionar, no només la física, sinó els fonaments més profunds del pensament filosbfic.M'estic referint al descobriment pel físic tebric, Max Planck, de la constant universal, "h", que porta el seu nom, troballa que va tenir lloc al llarg del desembre del 1900.L'altre gran ' cipar, amb aquestes xerrades, de l'emoció que aquells homes devien sentir quan van aconseguir endevinar Déu.O no? Com m esperit certament espo guanyar sinó participar.
L’estudi de la fisica de la informacio i de la computacio ha estat una de les disciplines d’investigacio mes reconegudes al llarg de les ultimes decades. La informacio es, a la fi, alguna cosa que es troba dins d’un sistema fisic, i podem pensar que la computacio es allo que es capac de convertir aquesta part dels sistemes fisics en dispositius realitzables i controlables. Aixi doncs, sembla que tant des del punt de vista de la ciencia basica com de l’aplicacio tecnologica, els conceptes d’informacio i computacio tenen un paper principal. Aquest treball tracta sobre un aspecte concret d’un sistema fisic, la llum, el qual es pot utilitzar per a aplicacions molt diverses en informacio quantica. De tots els sistemes fisics proposats per a realitzacions practiques d’informacio quantica, els fotons son, sens dubte, els mes utilitzats. Els treballs duts a terme fins al moment tracten basicament de les propietats de polaritzacio de la llum, la posicio dels fotons i el moment d’aquests. L’estudi del control dels estats en frequencia dels fotons es un nou pas en la complexitat quantica, ja que la frequencia es una variable continua. Quan pensem en la descripcio i l’estudi d’algun aspecte dels sistemes quantics com pot ser la polaritzacio o la frequencia, la distincio en variables continues i discretes es ben clara en el sentit matematic; pero d’altra banda, des del punt de vista experimental, les variables continues son un limit de les variables discretes que mai es pot tractar a la practica. La correlacio no classica entre parelles de fotons es un dels topics centrals en l’optica quantica, i l’entrellacament es la seva propietat mes notable per tal d’experimentar-hi. L’entrellacament es una propietat dels estats quantics i, en el nostre cas, direm que una parella de fotons esta entrellacada quan no puguem descriure l’estat d’un dels dos fotons sense, alhora, variar l’estat de l’altre, es a dir que l’entrellacament ens dona idea del grau en que estan lligats els dos fotons. Quan volem tractar l’entrellacament d’un estat quantic de dos sistemes A i B, si aquests tenen un espectre discret, aleshores la seva correlacio sera senzilla de quantificar ja que tindrem un nombre finit —o, en el pitjor dels casos, numerable— d’estats correlats. Per contra, quan
Aquesta tesi estudia la verificació de sistemes quàntics en escenaris on l'accés a informació crucial és limitat. Mentre que en el control de qualitat clàssic els defectes poden, en principi, detectar-se de manera determinista, la naturalesa probabilística de la mecànica quàntica imposa limitacions inherents. Aquest fet planteja la pregunta: fins a quin punt és possible identificar de manera fiable defectes en estats i processos quàntics? Per respondre aquesta pregunta s'estudia la discriminació d'estats i canals quàntics en contextos universals, és a dir, quan no es coneix la forma específica de les hipòtesis. L'objectiu és establir rendiments de referència i dissenyar protocols òptims que continuïn sent vàlids sota condicions d'ignorància parcial. La manera d'abordar l'objectiu és mitjançant la combinació d'eines d'optimització convexa amb mètodes de teoria de representacions. La programació semidefinida ofereix el marc per formular els problemes de discriminació com a problemes d'optimització sobre operadors. Per la seva banda, la dualitat de Schur-Weyl i els esquemes d'associació permeten captar la simetria dels problemes estudiats, així com reduir de manera significativa la seva complexitat. Més enllà de la discriminació d'estats, l'isomorfisme de Choi-Jamiołkowski i el formalisme de xarxes quàntiques estenen aquestes tècniques a l'anàlisi de canals quàntics. La primera contribució se centra en el problema anomenat edge detection. Una seqüència de sistemes es divideix en dos dominis, cadascun preparat en un estat desconegut però diferent, i l'objectiu consisteix a identificar la frontera que els separa. Es presenta un protocol òptim per a aquest problema, juntament amb un càlcul eficient de la seva probabilitat d'èxit basat en la dualitat de Schur-Weyl i el formalisme de matrius de Gram. A més, s'explora un escenari mixt, en què els estats passen de ser coneguts a desconeguts, cosa que pot resultar útil per detectar defectes en processos de producció d'estats quàntics. La segona contribució introdueix la detecció quàntica d'anomalies múltiples, en què un conjunt de fonts ha de produir un estat de referència, encara que algunes poden fallar i generar estats anòmals. Es consideren dos casos. En el primer, tant l'estat de referència com els estats anòmals són coneguts; aquest problema es resol analíticament aprofitant l'estructura algebraica dels esquemes d'associació de Johnson, la qual cosa permet obtenir estratègies òptimes tant en el règim d'error mínim com en el d'identificació sense error (inequívoca). En el segon cas, ambdues classes d'estats són desconegudes, i es desenvolupa un protocol universal la optimalitat del qual s'estableix a través de la dualitat de Schur-Weyl. Finalment, la tercera contribució estén la detecció d'anomalies a l'àmbit dels canals quàntics. S'assumeix que els dispositius implementen una operació unitària donada, encara que un subconjunt d'aquests aplica en el seu lloc unitàries desconegudes. Es deriven protocols òptims sense error per identificar aquests dispositius defectuosos, emprant l'isomorfisme de Choi-Jamiołkowski i el formalisme de xarxes quàntiques. L'anàlisi mitjançant teoria de representació i la dualitat mixta de Schur-Weyl demostra que el rendiment òptim pot assolir-se amb estats d'entrada entrellaçats, sistemes auxiliars i estratègies paral·leles.