 |
Iterative dynamics of quantum systems: non-classical properties, applications for modelling physical systems and optical realizations
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
109651 |
| Type |
NN |
| Principal investigator |
Kiss, Tamás |
| Title in Hungarian |
Kvantumrendszerek iteratív dinamikája: nemklasszikus tulajdonságaik, alkalmazásuk fizikai rendszerek modellezásáre és optikai megvalósításuk |
| Title in English |
Iterative dynamics of quantum systems: non-classical properties, applications for modelling physical systems and optical realizations |
| Keywords in Hungarian |
kvantumos bolyongás, kvantumoptika, kvantuminformatika |
| Keywords in English |
quantum walks, quantum optics, quantum information theory |
| Discipline |
| Physics (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Quantum mechanics |
|
| Panel |
Physics 1 |
| Department or equivalent |
Quantum Optics and Quantum Informatics Department (Wigner Research Centre for Physics) |
| Participants |
Asbóth, János Károly
Darázs, Zoltán
Kecskés, László
Kollár, Bálint
Kornyik, Miklós
|
| Starting date |
2013-09-01 |
| Closing date |
2017-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
10.728 |
| FTE (full time equivalent) |
12.83 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Jelen kutatás célja iterált kvantumdinamikai rendszerek fundamentális
tulajdonságainak vizsgálata. Kutatásunk egyik fókuszát a kvantumos
bolyongás adja. Ez egyrészt kulcsfontosságú szerepet játszik a
kvantuminformatikában, ahol algoritmusok tervezésében alkalmazható,
másrészt modellként szolgál komplex fizikai rendszerek leírására. A
kvantumos bolyongás nem csak elméleti konstrukció: a közelmúltban ultrahideg atomokon és kvantumoptikai kísérletekben is sikeresen valósították meg.
Munkánk másik fókusza az iterált kvantumáramkörök. Ezek
egy- vagy többkvantumbites sokaságra alkalmazott kvantumkapukból álló
elrendezések, melyeket eredetileg összefonódás-tisztításra javasoltak.
Korábbi eredményeink szerint itt valódi kaotikus dinamika (komplex káosz)
jelenik meg, amely az összefonódásban is nyomon követhető.
A projekt keretében a fenti rendszereket analitikus és numerikus
módszerekkel kívánjuk tanulmányozni, a következő területekre
koncentrálva. 1) A kvantumos bolyongások topologikus tulajdonságai, a
szilárdtestfizikából ismert topologikus jelenségek modellezése és
általánosítása. 2) A perkoláció vizsgálata a kvantumos bolyongás két
fő típusán: a folytonos idejű és a diszkrét idejű bolyongáson, ezek
aszimptotikus viselkedésének és keverési tulajdonságainak
tanulmányozása. 3) A kvantumos bolyongás kvantumoptikai
realizációjával, valamint kvantuminformatikai alkalmazásaival
kapcsolatos kérdések. 4) A komplex káosz matematikai tulajdonságai,
a speciális aszimptotikus viselkedéshez, például
erős összefonódáshoz vezető kezdeti állapotok halmazának fraktálszerkezete.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Kevés dinamikus komponensből álló kvantumrendszerek iteratív
dinamikáját vizsgáljuk. A dinamikát vagy 1) időfüggetlen, vagy
periodikusan változó Hamilton-operátorral leírt determinisztikus
időfejlődés és mérések, vagy 2) kis komplexitású kvantumhálózat,
melyben visszacsatolt mérőegységek is vannak, adják meg. Fő kérdéseink a következők.
Hogyan lehet ezeket a rendszereket bonyolultabb fizikai rendszerekben látott komplex jelenségek modellezésére alkalmazni? Milyen olyan tulajdonságaik vannak, amelyek révén kvantuminformációs protokollok hasznos építőelemei lehetnek? Lehet-e tulajdonságaikat az aktuálisan futó kisérletekben vizsgálni? Ezen kérdések megválaszolásához az általunk az elmúlt években kifejlesztett matematikai eszközöket fogjuk alkalmazni, ill. továbbfejleszteni.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kevés komponensből álló, egyszerű kvantumrendszerek közvetlen kísérleti vizsgálata hosszú ideig lehetetlen volt, ezért a fizikusok csak "gondolatkísérletek" eredményeit tárgyalhatták. A mai kísérleti technikával azonban egyedi atomok, fotonok, és más, kevés dinamikus szabadsági fokkal rendelkező rendszerek vizsgálatára is lehetőség nyílik. Ezek jól kontrollált kezdeti állapotból meghatározott időfejlődésnek vethetőek alá, és nagy pontossággal mérhetőek. A téma jelentőségét mutatja, hogy 2012-ben ezért adták a fizikai Nobel-díjat. Ezen rendszerek dinamikai tulajdonságait két okból is fontos megértenünk. Egyrészt, mivel kvantuminformatikai protokollok építőelemeit képezik. Másrészt, ezen jól kontrollálható modellrendszereken keresztül komplex kvantumrendszerekben megvalósuló jelenségek (pl. szilárdtestek topologikus fázisai) megértése is lehetővé válhat.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A kvantummechanikát egy évszázaddal ezelőtt olyan mérések útján fedezték fel, melyeket atomok, vagy fotonok millióin végeztek. Hosszú időn keresztül elképzelhetetlen volt, hogy egyedi kvantumrendszeren kísértletet végezzenek, meghatározzák a tulajdonságait, vagy vizsgálják a rájuk jellemző kölcsönhatásokat. Mára egyre több olyan elrendezést hoztak létre, mely képes ilyen egyedi kvatumrendszereken kísérletezni, egyre növekvő pontosság és kontroll mellett. A 2012. évi fizikai Nobel-díjjal is ilyen típusú eredményeket tüntettek ki. Ezen új kísérleti lehetőségek az elméleti fizikusok számára is új kérdéseket vetnek fel olyan fizikai rendszerek időfejlődésével kapcsolatban, melyek kevés számú kvantumos alkotórészből állnak. Ezen rendszerek nemklasszikus tulajdonságainak kiaknázása elvben lehetővé teheti többek között, hogy bármely klasszikus számítógépnél hatékonyabban lehessen információt feldolgozni, illetve átadni. Ezen kívül ezek az egyszerű, nagy mértékben kontrollált elrendezések használhatóak bonyolultabb fizikai rendszerek modellezésére is. Kutatásunk során elméleti módszerekkel szeretnénk vizsgálni olyan kevés számú különálló kvantumkomponensekből álló rendszereket, melyek ismételten ugyanannak a kölcsönhatásnak vannak kitéve.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
We plan to investigate the fundamental properties of iterated quantum
dynamical systems: quantum walks and iterated quantum
circuits. Quantum walks, on one hand, play an essential role in
quantum information theory, where they are used for designing
algorithms. On the other hand, quantum walks may serve as a model for
more complex physical systems. Far from being just a theoretical
construction, they have recently been experimentally realized on
ultracold atoms trapped in optical lattices and on photons in quantum
optical circuits. The other iterated system we focus on, iterated
quantum circuits, are periodic arrangements of quantum gates and
measurements applied on an ensemble of one or more qubits. Examples of
these setups are the ones used in entanglement purification
protocols. According to our previous discovery, truly chaotic dynamics
(complex chaos) may occur in iterated quantum circuits, which is
also visible in the evolution of entanglement.
We aim in this project to investigate analytically and numerically
these iterated systems. We will concentrate on the following areas:
Topological effects in quantum walks, modeling and generalizing
topological effects known in solid state physics. Percolated quantum
walks, including both of the two main classes, the continuous and
discrete time cases, their asymptotic behavior, mixing properties.
Issues related to quantum optical realizations and applications of
quantum walks in quantum information theory. Mathematical properties
of complex chaos: the fractal structure of the set of initial states
leading to special asymptotic properties, e.g. strong entanglement.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
We consider iterative dynamics of quantum systems with few dynamical
components. The dynamics is prescribed by either 1) deterministic time
evolution via Hamiltonians (which may have periodically time
dependence), and measurements, or 2) by quantum circuits of small
complexity, including measurement feedback loops. Our main questions
are: How can such systems be applied for modeling phenomena seen in
more complicated physical systems? What are their special properties
which may enable us to employ them in quantum information protocols?
Can these properties be measured in realistic settings used in current
laboratory experiments? We plan to apply and further build the set
of mathematical tools that we have developed over the past few years.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The quantum physics of relatively small systems has long been
unaccessible experimentally, only gedanken (thought) experiments were
discussed by physicists. Today’s experiments are dealing with
individual atoms, photons and other systems with a small number of
dynamical variables and can prepare, evolve and measure such systems
with high level of control, see the Nobel prize in Physics,
2012. Theoretical understanding of the dynamical properties of such
systems is essential, on one hand, since they form the building blocks
of quantum information processing. On the other hand, these highly
controllable model systems can help us understand phenomena arising in
more complicated systems (e.g., topological effects in solids).
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Quantum mechanics was discovered a century ago from measurement made
on billions of atoms or photons. For a long time it was unimaginable
to experiment with single quantum systems, study their interaction,
measure their properties. Today, there are more and more experiments
handling these individual quantum systems with ever increasing
precision and control. The Nobel prize in physics in 2012 was awarded
to experiments of this kind. These new experimental possibilities lead
also to new questions for theoreticians, related to the time evolution
of sytems composed of a small number of quantum components. Exploiting
the nonclassical properties of these systems, one could, in principle,
process or transfer information in a much more effective way than with
any classical computer. These simple, highly controlled setups can
also model the behavior of more complicated physical systems. In our
project, we would like to theoretically study systems consisting of a
small number of individual quantum components which are subjected
repeatedly to the same interaction.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
