Intro till ME/ A. Karlsson/1 KTH Kvantteknik - the final frontier & Björn Hessmo Anders Karlsson & Björn Hessmo Department of Microelectronics and Information Technology, Laboratory of Quantum Electronics & Quantum Optics Royal Institute of Technology (KTH) Kista, Sweden

Intro till ME/ A. Karlsson/2 KTH Innehåll Timme 1; Anders Karlsson - Kvantmekanik, kort historik - Om partiklar och ljus, När se kvanta? - Interferens & interaktionsfri mätning Timme 2; Björn Hessmo - Atomoptik, atomur & precisa mätningar Målsättning -Ge lite smak av vetenskapens mest? omvälvande teori - Visa hur teorins ”fundamenta” omsätts i praktiken - ge lite smak på vad som kommer i kurser framöver Målsättning -Ge lite smak av vetenskapens mest? omvälvande teori - Visa hur teorins ”fundamenta” omsätts i praktiken - ge lite smak på vad som kommer i kurser framöver

Intro till ME/ A. Karlsson/3 KTH Partiklar och/eller vågor? Thomas Young: Ljus är en vågrörelse Isaac Newton: Ljus är en partikelström Den moderna fysiken, kvantmekaniken, ger bägge rätt Materien har kan visa upp både våg och partikelegenskaper

Intro till ME/ A. Karlsson/4 KTH Kvantmekanik Vetenskapens bästa teori! Atomernas inre struktur Molekylbindningar i DNA Halvledarfysiken i transistorer (bilden; första transistorn, 1957) Stjärnornas Liv & död

Intro till ME/ A. Karlsson/5 KTH Schrödinger quote Schrödinger quote British journal for the Philosophy of Science III, August 1952 “Are there Quantum Jumps ?” “We never experiment with just one electron or atom or (small) molecule. In thought experiments we sometimes assume that we do; this invariably entails ridiculous consequences. In the first place it is fair to state that we are not experimenting with single particles any more than we can raise Ichtyosaria in the zoo” True then, but now we do !

Intro till ME/ A. Karlsson/6 KTH Modern Quantum Mechanics Image of individual ions in a trap (R. Blatt, Univ. Innsbruck) Image of individual ions in a trap (R. Blatt, Univ. Innsbruck) The ions can be individually addressed by laser pulses and coupled through collective motion The atom laser (W. Ketterley, MIT, Nobelpris 2001)

Intro till ME/ A. Karlsson/7 KTH Solvay konferens 1927 Kvantmekanisk Tankesmedja A. Einstein M. Planck L. De Broglie N. Bohr E. Schrödinger W. Heisenberg P.A.M. Dirac M.Curie

Intro till ME/ A. Karlsson/8 KTH Interferera mera Ljus är en vågrörelse Vågor adderas ihop med amplitud och fas Intensiteten är fältet i kvadrat Ljus är en vågrörelse Vågor adderas ihop med amplitud och fas Intensiteten är fältet i kvadrat

Intro till ME/ A. Karlsson/9 KTH Ljus har partikelegenskaper Förklaring:Albert Einstein, 1905, Nobelpris 1921 Ljus har partikelegenskaper. Det avger sin energi Till elektronen enbart i diskreta enheter E= h f Fotonen är född Senare visade Compton att fotoner har rörelsemängd E= hf = mc 2 = (mc) c= p (f ) => p= h/ E= hf = mc 2 = (mc) c= p (f ) => p= h/ Ledtråd: 1900: Max Planck, förklarar strålspektrum Genom att anta att strålning sänds ut E= h f, h = Plancks konstant= Js Ledtråd: 1900: Max Planck, förklarar strålspektrum Genom att anta att strålning sänds ut E= h f, h = Plancks konstant= Js Fenomen: ljus kan frigöra elektroner från metall Observation: Under en viss ljusfrekvens inga elektroner Att öka intensiteten hjälper inte Fenomen: ljus kan frigöra elektroner från metall Observation: Under en viss ljusfrekvens inga elektroner Att öka intensiteten hjälper inte

Intro till ME/ A. Karlsson/10 KTH Elektromagnetiska spektrat Partikelegenskaper Vågegenskaper E = hf

Intro till ME/ A. Karlsson/11 KTH Albert Einstein publicerar tre arbeten -Fotoelektriska effekten -Bevis för atomernas existens via Brownsk rörelse -Speciella relativitetsteorin

Intro till ME/ A. Karlsson/12 KTH Partiklar har vågegenskaper Louis V. de Broglie Nobelpris 1929

Intro till ME/ A. Karlsson/13 KTH Schrödingerekvationen 2 ordningens differentialekvation 3 –rumsvariabler, 1 tidsvariabel Mer om den i Årskurs 2 - Kvantmekanik - Matematiska metoder för ME - Halvledarfysik Nobelpris 1933 Schrödinger – vågmekanik Heisenberg - matrismekanik I mitten Gustav VI Adolf Nobelpris 1933 Schrödinger – vågmekanik Heisenberg - matrismekanik I mitten Gustav VI Adolf ”if there is a wave, there should be a wave equation”

Intro till ME/ A. Karlsson/14 KTH Cause we’re livin in a material world, and I am a material wave... Bil M= 1000 kg v= 10 km/h =..= 2* meter =..= 2* meterOMÖJLIGT!!!!Bil M= 1000 kg v= 10 km/h =..= 2* meter =..= 2* meterOMÖJLIGT!!!! Väteatom M= 1.67* kg v= 1500 m/s (300K) =..= 2* meter =..= 2* meter v= 3 m/s (1mK) =..= meter =..= meter Fullt möjliga Väteatom M= 1.67* kg v= 1500 m/s (300K) =..= 2* meter =..= 2* meter v= 3 m/s (1mK) =..= meter =..= meter Fullt möjliga

Intro till ME/ A. Karlsson/15 KTH Interferens med fotboll! (Anton Zeilinger, Wien)

Intro till ME/ A. Karlsson/16 KTH Vågad kolfotboll

Intro till ME/ A. Karlsson/17 KTH Kvantmekanik och Kvantteknik Kvantmekanik matematiskt ramverk - vi tolkar fysikaliskt Finns ett antal ”kvantregler” - mätningar, vad är möjligt och omöjligt - vad kan göras med kvantsystem? Kopiering, informationslagring, transmission.. Ny kvantteknik? - nanoelektronik, kvantoptik, koherent materia… en del i senare föreläsningar

Intro till ME/ A. Karlsson/18 KTH R. P. Feynmann “.. It seems that the laws of physics presents no barrier to reducing the size of computers until bits are the size of atoms, and quantum behavior holds dominant sway” “.. It seems that the laws of physics presents no barrier to reducing the size of computers until bits are the size of atoms, and quantum behavior holds dominant sway”

Intro till ME/ A. Karlsson/19 KTH The future of computing 1 atom per bit around 2020 ! Before ”1 atom 1 bit” limit - -tunneling in small structures - thermal and quantum jumps - - problem of placing dopants Problem already Future: quantum electronics nanoelectronics Before ”1 atom 1 bit” limit - -tunneling in small structures - thermal and quantum jumps - - problem of placing dopants Problem already Future: quantum electronics nanoelectronics

Intro till ME/ A. Karlsson/20 KTH Einstein on Photons “All these fifty years of concious brooding have brought me no nearer to the answer to the questions “what are light quanta?” Nowadays, every Tom, Dick and Harry thinks he knows the answer to the question..” A. Einstein, 1951

Intro till ME/ A. Karlsson/21 KTH “Interaction free” measurement Is it possible to detect the presence of an object without any photon “touching” it ? Elitzur & Vaidman, Found. Phys, 23, 987 (1993) A Bomb exploding if even a single photon hits it! A Bomb exploding if even a single photon hits it! If so, we may be able to ”see” an object which is in the dark

Intro till ME/ A. Karlsson/22 KTH

Intro till ME/ A. Karlsson/23 KTH 1st solution: Young’s double slit Photon counter Screen Double slit A single photon detector at a node position will never register any photons if both slits are open A single photon detector at a node position will never register any photons if both slits are open If an object is present in the lower slit, a photon may take the upper path and hit the detector we know the object is there, but no photon hit it = “Interaction free detection” If an object is present in the lower slit, a photon may take the upper path and hit the detector we know the object is there, but no photon hit it = “Interaction free detection” Double slitScreen Photon counter

Intro till ME/ A. Karlsson/24 KTH Photons at a dielectric mirror(s) P(transm) = 1-R = 0.01 INCIDENT PHOTON REFLECTED Single HR mirror R=0.99 (eller mer) TRANSMITTED PHOTON Two HR mirrors = Fabry Perot Cavity R=0.99 Due to interference P(transm) ~ 1 INCIDENT PHOTON TRANSMITTED PHOTON

Intro till ME/ A. Karlsson/25 KTH IFM: KTH solution INCIDENT PHOTON TRANSMITTED PHOTON Empty cavity- The photon is transmitted P(Refl) = 0 P(Trans) =1 The photon is reflected P(Refl) = R P(Trans) = 0 P(absorb)= 1-R => 0 INCIDENT PHOTON REFLECTED PHOTON Bomb (film) in cavity- The potential of absorption inhibits the photon from entering -seeing in the dark- !! The potential of absorption inhibits the photon from entering -seeing in the dark- !!

Intro till ME/ A. Karlsson/26 KTH Annan forskning på KTH Kvantkryptering -absolut säker kommunikation Tvillingfotoner & teleportering Hopklistrade fotoner kvantdatorteori

Intro till ME/ A. Karlsson/27 KTH Kvantteknikens första IT-produkt! Vinnare av flera priser i Schweiz

Intro till ME/ A. Karlsson/28 KTH Kvantteknik, the final tanke Vi börjar nu kontrollerat kunna experimentera med enstaka kvanta Av intresse för mikroelektronik, optik, mätteknik Finns ett stort intresse att bättre förstå kvantfysiken Att ta med er: -Kvantfysiken, vår bästa teori, är fortfarande föremål för mycket aktiv forskning - Allt mer blir kvantteknik viktig för tillämpningar KVANTTEKNIK ÄR KUL! Att ta med er: -Kvantfysiken, vår bästa teori, är fortfarande föremål för mycket aktiv forskning - Allt mer blir kvantteknik viktig för tillämpningar KVANTTEKNIK ÄR KUL!

Intro till ME/ A. Karlsson/29 Kvantmekaniken 100 år John Archibald Wheeler student till Bohr, föreslog namnet “Svarta hål” December 2000 is the 100th anniversary of the greatest discovery made in the world of physics, the quantum. To celebrate I would propose the title ”The Quantum: The Glory and the Shame”. Why glory? Because there is not a branch of physics which the quantum does not illuminate. The shame, because we still dont know ”How come the quantum?”