Η Φυσική µαγεύει! εκεµβρίου 2016 Α-ΤΕΙ Αθήνας

Transcript

1 Η Φυσική µαγεύει! εκεµβρίου 2016 Α-ΤΕΙ Αθήνας Από το χώρο του πειράµατος του εργαστηρίου Φυσικής και των υπολογιστικών δεδοµένων µέσω υπολογιστή, στο χώρο της Κβαντικής Πληροφορικής. ΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΟΤΣΙΦΑΚΟΣ καθηγητής Ηλεκτρονικής ΠΕ 17.08, Απόφοιτος ΤΕΙ Αθηνών, Απόφοιτος ΕΠΠΑΙΚ, τµήµατος ΑΣΠΑΙΤΕ Αθηνών, (MSc) PhD (candidate), Τµήµατος Πληροφορικής, Πανεπιστηµίου Πειραιώς e- mail:

2 Περιεχόµενα Μεθοδολογική προσέγγισης του θέµατος: αναφορά στην επεξεργασία δεδοµένων γύρω από την οργάνωση και τα αποτελέσµατα πειραµάτων που περιέχουν µεταβολές φυσικών µεγεθών. Προσέγγιση στη διαχείριση των µεγεθών µέσα από λογισµικά πακέτα. Εννοιολογική προσέγγιση του χώρου της Κβαντικής Πληροφορικής. Συµπεράσµατα, µελλοντικές εργασίες.

3 Σκοπός Να γίνει η παρουσίαση για το πώς προκύπτει η µεθοδική καταγραφή των αποτελεσµάτων και οι συσχετίσεις των µεταβλητών σε ένα πείραµα. Να παρουσιαστούν συµπεράσµατα για τις υπολογιστικές και περιγραφικές δυνατότητες που διαθέτουµε σήµερα µέσω της Πληροφορικής και οι προοπτικές τους. Προοπτική: η προετοιµασία για την υπέρβαση της «δυαδικής φύσης» των σηµερινών Υ/Η και η αξιοποίηση ενός νέου µοντέλου υπολογισιµότητας όπως αυτό του κβαντικού υπολογιστή.

4 Αναφορά στην Πρώτη γνώση Η πρώτη γνώση περιλαµβάνει την από γενιά σε γενιά µεταβιβαζόµενη γνώση στη γλώσσα των συµβόλων, συνήθως υπό την µορφή µύθων ή λαϊκών θυµοσοφιών και παραδόσεων. Η δική µας Μυθολογία περιγράφει πολλά και σοφά. Κλωθώ Άτροπος Λάχεση

5 Αναφορά στην Πρώτη γνώση Σταθµός πρώτος Κοσµοείδωλα (ΜΥΘΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΛΑΤΡΕΙΕΣ) Αίγυπτος (2500 π.χ.)

6 Κοσµοείδωλα (ΜΥΘΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΛΑΤΡΕΙΕΣ) - Αίγυπτος Ιστορικό γεγονός δεν είναι µόνο το αποτέλεσµα της συνειδητής δράσης. Ένα φυσικό φαινόµενο που επηρεάζει µε τον έναν ή τον άλλο τρόπο τη ζωή των ανθρώπων είναι επίσης ιστορικό γεγονός. Οι πληµµύρες του Νείλου αφορούν άµεσα τη ζωή των Αιγυπτίων. Αντιλήψεις του κοσµικού δράµατος των Αιγυπτίων αντανακλούν το περιβαλλοντικό δράµα της κοιλάδας του Νείλου (2.500 π.χ.).

7 Κοσµοείδωλα (ΜΥΘΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΛΑΤΡΕΙΕΣ) - Αίγυπτος Η προδηµιουργία ως κατάσταση του κόσµου είναι το Ατούν (Neberdjer) (πρωταρχική αξεδιάλυτη ενότητα) που θα διασπαστεί µε την πρώτη εµφάνιση.

8 Κοσµοείδωλα (ΜΥΘΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΛΑΤΡΕΙΕΣ) - Αίγυπτος Σε κάποιο σηµείο µίας κορυφής ένα κοσµογονικό αυγό γέννησε τους Θεούς και αυτοί µε τη σειρά τους διακόσµησαν τον κόσµο.

9 Αναφορά στην πρώτη γνώση: Σταθµός δεύτερος. Χρήση χαρακτηριστικών της ορθολογικής σκέψης. Οµηρική αντίληψη για τον Οδυσσέα*: η δυνατότητα να αναλύει πολύπλοκες καταστάσεις και τελικά να κάνει ορθολογικές επιλογές *ένας ορθολογικός άνθρωπος µε οξυµένη αίσθηση του τι µετράει

10 Αναφορά στην πρώτη γνώση: Σταθµός δεύτερος. Χρήση χαρακτηριστικών της ορθολογικής σκέψης. Το πέρασµα από την Ησιόδεια Θεογονία* στην Ελληνική Φιλοσοφία *ταξινόµηση και αναζήτηση κρυφότερης αρµονίας

11 Αναφορά στην πρώτη γνώση Σταθµός δεύτερος Κοσµοείδωλα (ΜΥΘΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΛΑΤΡΕΙΕΣ) Έφεσος (500 π.χ.). Το Ελληνικό πρότυπο Ήταν Έρεβος, Νύχτα ολοσκότεινη, πλατύς Τάρταρος, Χάος, κ' ούτ' υπήρχανε τότε ο Ουρανός κ' ο Αγέρας κ' η Γη. Στου Ερέβους τον άπειρο χώρο η µαυρόφτερη Νύχτα, κ' αυτή πρώτη γεννά έν' αυγό δίχως σπόρο, που στου χρόνου τους γύρους τον Έρωτα βγάζει που οι ψυχές τον ποθούν και που φέρνει στις πλάτες φτερά χρυσοστόλιστα κ' αστραφτερά, και µ' ανέµου στροβίλους οµοιάζει. Κι' αφού η Νύχτα µε αγάπη [πολλή] µε τ' ολόφωτο Χάος ενώθη, στου Ταρτάρου τα βάθη εκλώθη και στο φως πρώτη εβγήκε η δική µας φυλή. Των Θεών δεν υπήρχε το γένος πριν ο Έρωτας βγή για να σµίξη τα πάντα και αυτά του ήσαν ξένα, µεταξύ τους σαν βρέθηκαν όλα σµιγµένα. Ουρανός εγεννήθη, και Πόντος, και Γη, κ' όλα αυτά των µακάρων τ αθάνατα γένη κ' έτσι εµείς πιο µπροστά, γεννηθήκαµε χρόνια πολλά, από κάθε Θεό. Αριστοφάνης, Όρνιθες

12 Αναφορά στη εύτερη γνώση «Σχολική γνώση». Κοσµοείδωλο: το επιστηµονικό πρότυπο Η γνώση που αποκτιέται στην εκπαίδευση όλων των βαθµίδων. Σχηµατισµός κατά την ιστορική αναδροµή. Αλλάζει µε βάση τις χωροχρονικές συντεταγµένες. Βασικό πρότυπο: αναγωγιστικό.

13 Η ζωή των επιστηµόνων Α] Η ζωή στα επιστηµονικά συνέδρια. Β] Η καθηµερινότητα. Ο σχηµατισµός επιστηµονικών συλλογισµών: 1] ατενίζουν ένα φύλλο χαρτί, 2] βηµατίζουν, 3] ξαπλώνουν ανάσκελα µε τα µάτια κλειστά

14 Η ζωή των επιστηµόνων Η έντονη επιστηµονική σκέψη είναι µία εµπειρία που σε αποζηµιώνει σηµαντικά, αλλά ταυτόχρονα είναι και σκληρή δουλειά! Πρέπει κάποιος να καταδιώκει ανηλεώς ιδέες, και να αφήνει τον εαυτό του να διακατέχεται από αυτές!

15 Η ζωή των επιστηµόνων Πρέπει να αναπτύσσει τολµηρές ιδέες αλλά στη συνέχεια πρέπει να ελέγχονται οι λεπτοµέρειες, και πολύ συχνά ανακαλύπτονται τεράστια ελαττώµατα! Η «κατασκευή» ή µεγάλα τµήµατα της απορρίπτεται ή αναδιαρθρώνεται Και αυτό συνεχίζεται µέρα µε τη µέρα, βδοµάδα µε τη βδοµάδα, µήνα µε το µήνα

16 Η ζωή των επιστηµόνων

18 Η ζωή των επιστηµόνων Υλικό που βοηθά την πραγµατοποίηση των πειραµατικών διατάξεων.

22 Οργανωµένη χρήση της ορθολογικής σκέψης

23 Βασική τάση: η επεξεργασία της αφαίρεσης της κίνησης και η παρατήρηση των µεταβολών

24 Οργανωµένη χρήση της ορθολογικής σκέψης Αντιµετωπίζοντας τα πειραµατικά φαινόµενα ως «πληροφορικά συστήµατα» του πραγµατικού κόσµου από τα οποία µπορούµε να αντλήσουµε συσχετισµούς και µοντελοποιήσεις, καταλήγουµε στο να υπάρχει η προοπτική να µπορούµε να αναγνωρίζουµε την αλληλουχία των φαινοµένων κατά τη διάρκεια της επιστηµονικής και ερευνητικής δράσης. Κάτω από διαφορετικές συνθήκες ή παρόµοιες καταστάσεις µπορούµε να διαπιστώσουµε εσωτερικές ή υποδόριες σχέσεις ανάµεσα στις ερευνητικές «οντότητες» του πραγµατικού κόσµου

25 ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ «Νοµίζω ότι µπορώ να πω µε ασφάλεια ότι κανείς δεν καταλαβαίνει την κβαντική φυσική». Richard Feynman

26 ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ Αρχή της υπέρθεσης (επαλληλίας) Το φαινόµενο αυτό παρατηρήθηκε κατ' αρχήν από τον Leonardo da Vinci ( ), στα υδάτινα κύµατα.

27 ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ Πειραµατική επαλήθευση του φαινοµένου: ρίχνουµε δύο πέτρες (σε κάποια λογική απόσταση µεταξύ τους) σε ήρεµη θάλασσα, και παρατηρούµε τη διάδοση και την αλληλεπίδραση των αποκλινόντων κυλινδρικών κυµάτων που δηµιουργούνται.

28 ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ Πειραµατική επαλήθευση του φαινοµένου: Επίλυση Κυκλώµατος

29 ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ εν είναι όλα τα κυµατικά φαινόµενα γραµµικά

30 ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ Αρχή της µη αντιστρεψιµότητας (Άτροπος). Η ανάµιξη κρύου µε ζεστό νερό είναι µία µη αναστρέψιµη διαδικασία.

31 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ Αποθήκευση ενός bit: η κατάσταση ενός ατόµου υδρογόνου Θεµελιώδης κατάσταση ιεργεµένη κατάσταση Επαλληλία

32 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΛΓΟΡΙΘΟΙ Αν ένα κβαντικό σύστηµα µπορεί να είναι σε µία από τις δύο καταστάσεις τότε µπορεί να βρεθεί σε οποιαδήποτε γραµµική επαλληλία των δύο καταστάσεων.

33 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ Η µέτρηση θα διατάρασσε το σύστηµα και η νέα κατάσταση θα γινόταν στην πραγµατικότητα j>, δηλαδή η j-οστή διεγερµένη κατάσταση. (Λάχεση)

34 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ Η βασική µονάδα των κωδικοποιηµένων πληροφοριών στους κβαντικούς υπολογιστές: Qubit (κιούµπιτ).

35 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ Superposistion principle (αρχή της επαλληλίας) για δύο (2) επίπεδα

36 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ Η µέτρηση µίας επαλληλίας έχει συνέπεια τον εξαναγκασµό του συστήµατος να αποφασίσει µία συγκεκριµένη κατάσταση, µε πιθανότητες οι οποίες προσδιορίζονται από τα πλάτη.

37 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΛΓΟΡΙΘΟΙ ύο ηλεκτρόνια µπορεί να βρίσκονται είτε στην θεµελιώδη, είτε στη διεγερµένη κατάσταση. Προκύπτει έτσι ένα σύνολο τεσσάρων δυνατών καταστάσεων:

38 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ Ο γραµµικός συνδυασµός των τεσσάρων κλασσικών καταστάσεων είναι

39 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ Superposistion principle (αρχή της επαλληλίας) για πεντακόσια (500) επίπεδα; (Κλωθώ)

40 ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Πού αποθηκεύεται αυτή η πληροφορία; Πρόκειται για την πιο εξωφρενική θεωρία σχετικά µε την προσπάθεια που καταβάλει η Φύση απλώς και µόνο για να διατηρήσει την εξέλιξη ενός µικροσκοπικού συστήµατος στο χρόνο!

41 ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Κβαντική επιγένεση: Για τα δύο bit δύο καταστάσεις την ίδια χρονική στιγµή. Προσδιοριστέα αλλά ακαθόριστη.

42 ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Κβαντική επιγένεση: η κατάσταση ενός qubit επηρεάζει ακαριαία την κατάσταση ενός άλλου, αποµακρυσµένου qubit. Το γεγονός αυτό επιτρέπει την αστραπιαία επεξεργασία ασύλληπτου όγκου πληροφοριών.

43 ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ 1] Να µπορέσει η τεχνολογία να ελέγξει επαρκώς τα κβαντικά φαινόµενα 2] Να µπορέσει να επεκτείνει την χρονική διάρκεια των κβαντικών φαινοµένων που Υποστηρίζουν τον υπολογισµό 3] Να αποµονωθεί πλήρως ο Κβαντικός Υπολογιστής από το εξωτερικό περιβάλλον ενόσω λαµβάνουν χώρα οι υπολογισµοί

44 ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ 1] Κατασκευή αξιόπιστων κβαντικών πυλών 2] Παραγωγή επαρκούς ποσότητας qubit 3] Πλήρη αποµόνωση των κβαντικών καταχωρητών από το περιβάλλον ενόσω λαµβάνουν χώρα οι υπολογισµοί 4] Mέτρηση των εξερχόµενων qubit

45 ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Για παράδειγµα, οι δυο τύποι υπολογιστή θα µπορούσαν να επεξεργαστούν το πρόβληµα της ανεύρεσης ενός αριθµού του οποίου το τετράγωνο και ο κύβος µαζί χρησιµοποιούν όλα τα ψηφία µεταξύ 0 και 9 µία φορά, και µόνο µία. Αν ελέγξουµε τον αριθµό 19, βρίσκουµε ότι 19^2 = 361 και 19^3 = Ο αριθµός 19 δεν ανταποκρίνεται στο ζητούµενο, επειδή το τετράγωνο και ο κύβος του περιλαµβάνουν µόνο τα ψηφία 1, 3, 5, 6, 6, 8 και 9, δηλαδή λείπουν τα ψηφία 0, 2, 4 και 7, και το ψηφίο 9 επαναλαµβάνεται.

46 ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Για να λύσει το πρόβληµα αυτό µε έναν παραδοσιακό υπολογιστή, ο χειριστής θα πρέπει να υιοθετήσει την ακόλουθη προσέγγιση. Πρώτα εισάγει τον αριθµό 1, και αφήνει τον υπολογιστή να τον ελέγξει. Ο υπολογιστής κάνει τους απαραίτητους υπολογισµούς και δηλώνει αν ο αριθµός πληροί το κριτήριο ή όχι. Ο αριθµός 1 δεν ανταποκρίνεται στο ζητούµενο, και έτσι ο χειριστής εισάγει τον αριθµό 2 και αφήνει τον υπολογιστή να τον ελέγξει και ούτω καθεξής, µέχρι τελικά να βρεθεί ο κατάλληλος αριθµός. Αποδεικνύεται ότι η απάντηση είναι το 69, επειδή 69^2 = 4761 και 69^3 = Πράγµατι, οι αριθµοί αυτοί περιλαµβάνουν καθένα από τα δέκα ψηφία µία και µόνο µία φορά. Στην πραγµατικότητα, το 69 είναι ο µόνος αριθµός που ικανοποιεί το ζητούµενο.

47 Αναφορά στην Τρίτη γνώση Σύνθεση και υπέρβαση των δύο πρώτων µοντέλων γνώσης. Αντικατάσταση της αναγωγικής µεθόδου µε την ολιστική µέθοδο. Υπέρβαση των διχοτοµήσεων και συνεργασία µε τη Φιλοσοφία και τη ιαλεκτική µε στόχο την µετάβαση σε ένα νέο επίπεδο που είναι ιεραρχικά υψηλότερο. ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ: µία από τις συνιστώσες της κοσµικής τάξης.

48 Από το χώρο του πειράµατος του εργαστηρίου φυσικής και των υπολογιστικών δεδοµένων µέσω υπολογιστή, στο χώρο της Κβαντικής Πληροφορικής. Ερωτήσεις; ΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΟΤΣΙΦΑΚΟΣ καθηγητής Ηλεκτρονικής ΠΕ 17.08, Απόφοιτος ΤΕΙ Αθηνών, Απόφοιτος ΕΠΠΑΙΚ, τµήµατος ΑΣΠΑΙΤΕ Αθηνών, (MSc) PhD (candidate), Τµήµατος Πληροφορικής, Πανεπιστηµίου Πειραιώς