kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3)...

72

Upload: helen-richard

Post on 13-Dec-2015

226 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo
Page 2: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo
Page 3: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Kvantna prepletenost v nano sistemihKvantna prepletenost v nano sistemih

(1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti(3) statični in leteči kvantni biti(4) prepletenost na zahtevo(5) stabilnost in sesedenje prepletenosti:

dvojne kvantne pikekubiti na mreži(kvantni) fazni prehodi

(5) povzetek

Page 4: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Entanglement: quantum phenomenonEntanglement: quantum phenomenon

"When a distinguished but elderly scientist states that something is possible, he is almost certainly right. When he states that something is impossible, he is very probably wrong.“ Arthur C. Clarke

Page 5: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Entanglement: quantum phenomenonEntanglement: quantum phenomenon

Page 6: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo
Page 7: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo
Page 8: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Primer uporabe prepletenostiPrimer uporabe prepletenosti: : teleportacijateleportacija

Page 9: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

• D. Bouwmeester et al. Experimental quantum teleportation. Nature, page 575, 1997.

• Y. Kim et al. Quantum teleportation of a polarization state with a complete bell state measurement. Physical Review Letters, page 1370, 2000.

• I. Marcikic et al. Long-distance teleportation of qubits at telecommunication wavelengths. Nature, page 509, 2003.

• R. Ursin et al. Quantum teleportation across the Danube. Nature, page 849, 2004.

Primer uporabe prepletenostiPrimer uporabe prepletenosti: : teleportacijateleportacija

Page 10: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

R. Ursin et al., Nature 430, 849 (2004)

Primer uporabe prepletenostiPrimer uporabe prepletenosti: : teleportacijateleportacija

Page 11: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Primer uporabe prepletenostiPrimer uporabe prepletenosti: : teleportacijateleportacija

Page 12: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

A B

Ψ

original Ψ

teleportacijateleportacija

Page 13: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

A B

Ψ

original Ψ

Ψ

teleportacijateleportacija

Page 14: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

A B

Ψ

kopija Ψ

Ψ

original Ψ

“NI kvantnega kloniranja”

teleportacijateleportacija

Page 15: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

A B

Meritev: kolaps (sesedenje?) stanja

izvor parov EPR

razdelitev skupnega para (singleta, npr.)

Ψ

Ψ naj bo teleportiran

teleportacijateleportacija

Page 16: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

A B

izvor parov EPR

razdelitev skupnega para (singleta, npr.)

teleportacijateleportacija

klasično pošlji izid meritve

deluj z unitarnim operatorjem

Ψ se pojavi

Ψ

Meritev: sesedenje stanja

Page 17: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

2 3

teleportacijateleportacija

Page 18: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

2 3

teleportacijateleportacija

Page 19: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

1,2 3

teleportacijateleportacija

1. zavrti okoli x2. zavrti okoli z3. počivaj4. zavrti okoli y

“Bellova meritev”

?

Page 20: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

1,2 3

teleportacijateleportacija

Page 21: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Quantifying entanglement: Quantifying entanglement: EE

A B two ‘spins’ in a pure state:

Destillation of EPR pairs:

Consider n such qubits pairs all in the state with E. Then byapplying only local operations m singlet pairs can be extracted and E=m/n (for large n).

E

Page 22: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Quantifying entanglement: pure statesQuantifying entanglement: pure states

A Btwo ‘spins’ in a pure state:

“1” (or “2”) is also a pure state

Entanglement measure

E=1

E=0

Page 23: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

A B

Quantifying entanglement: mixed statesQuantifying entanglement: mixed states

AB

( )E f C special case: pure states

Page 24: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Entanglement measure for two d e l o c a l i s e d electrons

Page 25: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Entanglement measure for two d e l o c a l i s e d electrons

Page 26: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Entanglement measure for two d e l o c a l i s e d electrons

Page 27: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Entanglement measure for two d e l o c a l i s e d electrons

Page 28: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Entanglement measure for two d e l o c a l i s e d electrons

| | BA

Example: Hubbard model (1D)

| | | |B BA A

?C

0C

Page 29: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Entanglement measure for two d e l o c a l i s e d electrons

A. Ramšak, I. Sega, and J.H. Jefferson PRA 74, 010304(R) (2006)

Page 30: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Concurrence: numerical examples

A BReferences

•A. R., I. Sega, and J.H. Jefferson, Phys. Rev. A 74, 010304(R) (2006).

• A. R., J. Mravlje, R. Žitko, and J. Bonča, Phys. Rev. B 74, 241305(R) (2006).

•G. Giavaras, J.H. Jefferson, A. R., T.P. Spiller, and C. Lambert, Phys. Rev. B 74,  195341 (2006).

•J. Mravlje, A. R., and T. Rejec, Phys. Rev. B 73, 241305(R) (2006).

•D. Gunlycke, J.H. Jefferson, T. Rejec, A. R., D.G. Pettifor, and G.A.D. Briggs, J. Phys.: Condens. Matter 18, S851 (2006).

•J.H. Jefferson, A. R., and T. Rejec, Europhys. Lett. 75, 764 (2006).

•S. El Shawish, A. R., and J. Bonča, Phys. Rev. B 75, 205442 (2007).

•A. R. and J. Mravlje, cond-mat/0701363. •M. Habgood, J.H. Jefferson, A. R., D.G. Pettifor,

and G.A.D. Briggs, subm. to Phys. Rev. B

Page 31: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Entanglement measure for two delocalized electronsEntanglement measure for two delocalized electrons

Page 32: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Entanglement measure for two delocalized electronsEntanglement measure for two delocalized electrons

Page 33: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Entanglement measure for two delocalized electronsEntanglement measure for two delocalized electrons

Page 34: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Entanglement measure for two delocalized electronsEntanglement measure for two delocalized electrons

infinite-U Anderson model

Page 35: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

ApplicationApplication: entanglement on demand: entanglement on demand

Page 36: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo
Page 37: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

+

FullereneC60, C70, C82, Sc@C82, Ce@C82, Nd@C82

Sc2@C80, Ce2@C80, Er3N@C80, Sc3N@C80

Nanotubes

(diameters 1.36nm and 1.49nm)

Gas-Phase Nanotube Filling (300-500oC):

Reality …Reality …

Page 38: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

ApplicationApplication: entanglement on demand (I): entanglement on demand (I)

Page 39: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Quasi 1DQuasi 1D

x

Page 40: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Quasi 1DQuasi 1D

x

T. Rejec and Y. Meir, Nature 2006

Page 41: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

ApplicationApplication: entanglement on demand (I): entanglement on demand (I)

Page 42: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

ApplicationApplication: entanglement on demand (II): entanglement on demand (II)

Page 43: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

ApplicationApplication: entanglement on demand (II): entanglement on demand (II)

Page 44: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

ApplicationApplication: entanglement on demand (II): entanglement on demand (II)

Page 45: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

ApplicationApplication: entanglement on demand (II): entanglement on demand (II)

Page 46: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

ApplicationApplication: entanglement on demand (II): entanglement on demand (II)

Page 47: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

ApplicationApplication: entanglement on demand (II): entanglement on demand (II)

Page 48: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Chan et al, Nanotechnology 15, 609 (2004)

Vidan et al, Applied Phys. Lett. 85, 3602 (2004)

Electrostatic gates

QD

Elzerman et al, PRB 67, 16308 (2003)

QD

Realistic qubit pairs: dRealistic qubit pairs: double quantum dotsouble quantum dots

Page 49: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Thermal equilibrium A-B entanglement

/B J/T J

2

4t

JU

C

., .B const T const

Page 50: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Double quantum dots: entanglement versus the Kondo effect

2ABn

Page 51: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Double quantum dots

Page 52: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Double quantum dotDouble quantum dot

2d t

2(b)

0

t U

V

2(a) t U

212

K(c) 4 2t

J TU

2 12t t t''

2RKKY KJ T

Page 53: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Double quantum dotDouble quantum dot

2d t

2(b)

0

t U

V

2(a) t U

212

K(c) 4t

J TU

2 12t t t''

2(d) 0 & ~ : (4) Kondot V U SU

Page 54: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

2d t

2(b)

0

t U

V

2(a) t U

212

K(c) 4t

J TU

2(d) 0 & ~ : (4) Kondot V U SU

Page 55: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

J. Mravlje, A. Ramšak, and T. Rejec, Phys. Rev. B 73, 241305(R) (2006)

Also for finite hibridization: [ (4)] ~ [ (2)]K KT SU U T SU

half filling: 2n

Page 56: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Double quantum dots

Page 57: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Double quantum dots

spin-qubits

charge-qubits

Page 58: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Double quantum dots

Page 59: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

2

4t

JU

Zero magnetic field, thermal equilibrium

A

B

0, .B T const

Page 60: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

2

4t

JU

/J U

Zero magnetic field, thermal equilibrium

A

B

Page 61: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

2

4t

JU

/J U

Zero magnetic field, thermal equilibrium

A

B

Page 62: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

/J U

Zero magnetic field, thermal equilibrium

2 cJ

A

B

see also:

Page 63: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

/J U

Zero magnetic field, thermal equilibrium

3 ~cJ

A

B

see also:

Page 64: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Double quantum dots: entanglement versus the Kondo effect

Page 65: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Qubit arrays …Qubit arrays …

Page 66: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Qubit arrays …Qubit arrays …

Page 67: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Qubit arrays …Qubit arrays …

Page 68: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Qubit arrays …Qubit arrays …

Page 69: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Qubit arrays …Qubit arrays …

Page 70: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

Qubit arrays …Qubit arrays …

Page 71: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

A B

PovzetekPovzetek

Page 72: Kvantna prepletenost v nano sistemih (1) motivacija (2) definicija kvantne prepletenosti (3) statični in leteči kvantni biti (4) prepletenost na zahtevo

"Any sufficiently advanced technology is indistinguishable from magic."

Arthur C. Clarke