Weekly outline

  • General

    Cilj predmeta Računalniške tehnologije je seznaniti študente z osnovnimi načeli moderne fizike, ki omogočajo razumeti delovanje tako današnjih računalnikov kot tudi prihajajočih računalniških in kvantnih tehnologij. Podrobneje se obravnava osnove kvantne mehanike, zgradbo snovi, ter električne, optične in magnetne lastnosti tehnološko pomembnih materialov. Osnovne ideje so ilustrirane s primeri, ki so relevantni v računalništvu.

    Obravnava je zadosti podrobna, da študenti usvojijo zadosti znanja za razumevanje najbolj pomembnih kvantnih algoritmov, kot so kvantna teleportacija, supergosto kodiranje, Groverjev algoritem za iskanje po neurejenih seznamih ter Shorov algoritem za faktorizacijo števil. Kvantna mehanika je odpredavana z vidika teorije informacij, s primeri v diskretnih prostrih (sistemi kubitov). Obravnavamo tudi gibanje elektronov v snovi, na podlagi tega pa prevodniške lastnosti različnih materialov (kovine, polprevodniki, topološki izolatorji) in nanotehnoloških naprav (enoelektronski tranzistor iz kvatnih pik, kvantne žice, spinski ventil). Nekaj povemo tudi o optičnih napravah, kot so laserji in fotodiode.

    Za zabavo obdelamo še nekaj zanimivih tem, ki kažejo, kako zelo nenavaden in neintuitiven je mikroskopski svet: kršitev lokalnega realizma (ni skritih spremenljivk, ki bi vnaprej določile izid meritve), "preizkuševalec bomb" (kako ugotoviti, ali bomba s kvantnim prožilcem deluje, ne da bi jo aktivirali, kar je v klasični mehaniki povsem nemogoče) in "kvantna radirka z zakasnjeno izbiro" (šele meritev odloči, ali se kvantni objekt obnaša kot delec ali kot valovanje).

    Predava izr. prof. dr. Rok Žitko z Instituta Jožef Stefan, rok.zitko@ijs.si, domača stran. Telefon: (01) 4773571. Vaje vodi Pavel Kos s Fakulteta za matematiko in fiziko, pavel.kos@fmf.uni-lj.si, domača stran.

    Termini v letu 2020: predavanja bodo ob torkih od 12h do 15h v P02, vaje pa ob sredah od 12h do 14h v PR08. Letos se torej predmet izvaja v običajni obliki s predavanji in vajami.

    Iz snovi iz vaj bo potekal pisni izpit, za katerega je mogoče pridobiti del bonus točk z oddajo domačih nalog. Na izpitu imate lahko en A4 list z enačbami in zapiski. 

    Za pokušino: predavateljevo poljudno predavanje o kvantnih tehnologijah (kolokvij IJS in FMF, posnetek na Videolectures).

    Literatura:
    • Rok Žitko: Kvantne in računalniške tehnologije, DMFA, Ljubljana (2017)
    • Radko Osredkar: Fizika snovi in mikroelektronske tehnologije. Založba FRI (2006)
    • Janez Strnad: Fizika. Štiri knjige, DMFA. Relevantna so nekatera izbrana poglavja.
    • Nielsen, Chuang: Quantum computation and quantum information. Cambridge University Press (2000). Prvi dve poglavji.
    • James Gleick: The Information: A History, a Theory, A Flood (2011). Poljudnoznanstvena knjiga o pojmu informacije.

    Vsebina:

    • Nihanje in valovanje
    • Snov in sevanje
    • Kvantna mehanika
    • Kvantno računanje in komuniciranje
    • Kvantni delci
    • Kvantna nedoločenost
    • Kvantni računalniki
    • Elektronska mikroskopija
    • Elektroni v snovi
    • Kovine
    • Polprevodniki in izolatorji
    • Polprevodniške naprave
    • Heterostrukture
    • Nanotehnologija
    • Magnetizem
    • Hranjenje podatkov

  • 16 March - 22 March

    Tema: Kvantna mehanika

    Ta teden preberite sekcijo 3.18 ("preizkuševalec bomb"), potem skočite na 4.7 ("unitarnost in časovni potek"), nato nazaj na 3. poglavje, sekcije 3.19 (prepoved kloniranja), 3.20 (Schroedingerjeva enačba) in 3.21 (časovni potek valovne funkcije za delec s spinom v zunanjem magnetnem polju).

    Ogeljte si še videoposnetek predavanja Alaina Aspecta z naslovom From Einstein to Wheeler

    (Youtube) in sicer vsaj prvih 25 minut, če pa vas predavanje pritegne, pa kar še preostanek (razlaga enofotonskih virov po 25. minuti postane tehnično bolj zahtevna). Alain Aspect je eden vodilnih strokovnjakov za "kvantno optiko", panogo fizike, ki se ukvarja s svetlobo in z interakcijo svetlobe s snovjo. Govori z močnim  naglasom, skoraj kot inšpektor Clouseau v Pink panterju, vendar se ga da vseeno razumeti.

    Ker doma nimam table, in da se ne bo preveč podvajalo s tem, kar itak preberete v knjigi, bom ta teden dodatne razlage pripravil drugače, najbrž v obliki odgovorov na izpitna vprašanja (morda kot screencast s prosojnicami, ali kako drugače, bom še videl). Sporočim v sredo ali četrtek.


    • 23 March - 29 March

      Tema: Kvantno računanje in komuniciranje

      Oglejte si videoposnetek predavanja o kvantnih tehnologijah, ki sem ga imel lani. Namenjeno je bilo široki javnosti, v okviru tega predmeta pa naj predstavlja uvod v temo kvantnega računanja in komuniciranja. Potem si še preberite poglavje 4 od razdelka 4.1 do vključno 4.11 (Holevov izrek). O tej temi se bomo pogovorili v naslednjem srečanju preko Zooma.

      Še nekaj uporabnega gradiva, za boljše razumevanje posameznih tem:

      -

      tenzorski produkt (YouTube), malo bolj matematično (Jim Folwer je matematik)
      -   zapis s keti, dvokubitni sistemi (YouTube)
      - kvantna vrata in kvantna vezja (YouTube)
      - Kvantna prepletenost na preizkušnji   (Kvarkadabra, slovensko)

    • 30 March - 5 April

      Tema: Kvantno računanje in komuniciranje

      Ta teden preberite preostanek 4. poglavja. Spoznali boste nekatere izmed ključnih postopkov oz. algoritmov, ki izkoriščajo prepletenost in/ali načelo superpozicije: supergosto kodiranje, kvantno teleportacijo, Shorov algoritem in Groverjev algoritem. O slednjih dveh bom povedal nekaj več prihodnji teden na Zoomu, ker je opis v učbeniku zelo kratek.

      - Krasna kvantna prihodnost (komentar na Radio Študent)
      - Intervju z dr. Antonom Potočnikom (Tromba), dr. Potočnik je doktorant FMF, ki zdaj razvija kvantni računalnik na IMEC v Belgiji
      - Groverjev algoritem (Youtube)


      Zoom srečanje 31. 3. (v dveh kosih; če vam ne predvaja, ročno odprite v ločenem oknu): ,

    • 6 April - 12 April

      Tema: Kvantni računalniki

      Tokrat se bomo ukvarjali s strojno opremo za kvantno računanje. Preberite poglavje 7 v učbeniku. Pomembna sta zlasti prva dva razdelka o odpravljanju napak.

      Oglejte si kvantni atlas, zelo poljudno predstavitev osnov kvantne fizike.

      Oglejte si ogledate predavanje A. Zeilingerja o kvantni fizki. A. Zeilinger je znan kot pionir poizkusov s prepletenimi kvantnimi delci (teleportiranje, Bellov eksperiment, ipd.)


      Posnetek Zoom srečanja 7. 4.

    • 13 April - 19 April

      Tema: Kvantni delci

      Preberite 5. poglavje, pri čemer lahko izpustite zadnji razdelek 5.10 o gibanju elektronov skozi prepreke, ki je bolj matematičen. Ali pa ga preberite bolj na hitro, brez spuščanja v podrobnosti izračunov.


      Posnetek Zoom srečanja 14. 4. 
    • 20 April - 26 April

      Tema: Kvantna nedoločenost

      Preberite 6. poglavje v celoti ter zapis Težave z interpretacijo kvantne mehanike na Kvarkadabri (avtor Sašo Dolenc).

      S tem zaključujemo prvi del tega predmeta, ki je bil posvečen osnovam kvantne fizike. Da si boste bolje zapomnili naučeno, vam svetujem, da si preberete zapis Quantum computing for the very curious Andyja Matuschaka in Michaela Nielsena, kjer so najpomembnejši koncepti opisani na dostopen način. (Michael Nielsen je soavtor najbolj znanega učbenika na temo kvantnega računalništva, Andy Matuschak pa se ukvarja z metodami poučevanja in novimi mediji.) Toplo priporočam!


      Posnetek Zoom srečanja 21. 4. 


    • 27 April - 3 May

      2. del: (Kvantni) materiali in (kvantne) naprave

      S sodobnimi tehnikami je  mogoče doseči zelo dovršen nadzor nad gibanjem elektronov v materialih in v napravah, izdelanih iz takšnih materialov. Odličen nadzor pa nam omogoča, da izkoristimo prednosti  in "nova pravila" kvantne mehanike, da dosežemo nove funkcionalne lastnosti. V naslednjih poglavjih si bomo zato ogledali fiziko elektronov "od spodaj navzgord", začenši z atomi in tvorbo kemijskih vezi, rastjo kristalov, ter njihovo obdelavo v polprevodniške, magnetne in optične naprave.


      Potem preberite 9. poglavje v učbeniku. Večina snovi vam bo znana iz srednješolske kemije in fizike, le da bo tu opisana bolj matematično v okviru kvantne mehanike.
      • 4 May - 10 May

        Tema: Kovine, polprevodniki in izolatorji

        Ta teden se bomo ukvarjali s prevodniškimi lastnostmi različnih materialov. Preberite poglavji 10 in 11 v učbeniku. Izpustite lahko razdelke 10.5, 10.8, 11.5 in 11.7, ki so manj pomembni. Ni se potrebno spuščati v podrobnosti izpeljav (recimo v razdelkih 10.4 in 11.2), zadosti bo, da jih le na hitro preletite.

        Srečanje na Zoom, 5. 5. 2020
        • 11 May - 17 May

          Tema: Polprevodniške naprave

          V učbeniku preberite 12. poglavje o polprevodniških napravah.

          Oglejte si simulacije nekaterih obravnavanih naprav s spletno aplikacijo Circuit JS. Zanimivi so naslednji primeri (klikni najprej na Circuits, potem pa poišči v podmenijih; spremenljivi parametri so vsakič na desni strani ekrana, lahko pa klikneš tudi na nekatere elemente v vezju):
          • Diodes / Diode
          • Diodes / Diode I/V curve
          • MOSFETs / n-MOSFET
          • MOSFETs / p-MOSFET
          • MOSFETs / Switch
          • MOSFETs / CMOS inverter (klikni na H/L; poizkusi vse 3 variante - bolj realistične verzije s končno kapacitanco razložijo, zakaj se čipi grejejo!)
          • Logic families / CMOS / NAND, NOR, XOR, Flip-flop, Master-slave flip/flop (to lahko primerjate s TTL logiko, ki je nekoč bila hitrejša kot CMOS)
          • Sequential logic / Static RAM, Dynamic RAM
          Pogledate si lahko še nekaj zadev, o katerih smo govorili že v začetku leta:
          • Phase-locked loops / Frequency doubler (generacija ure v računalnikih)
          • Other passive circuits / Coupled LC's (sklopljena nihala)
          • Op-Amps / Chaotic circuits (kaotično obnašanje zaradi nelinearnih elementov v vezju, recimo zaradi diode)
          • Transmission line / Standing wave (oglejte si še druge primere: zelo poučno je predstavljeno, kaj se dogaja s hitrimi pulzi v žičkah)
          Nekatere druge zadeve pa še sledijo:
          • Misc devices / Memristors / Hard-switching 2
          • Misc devices / Spark gap / Tesla coil (ok, tale je malo za šalo)

          Posnetek srečanja na Zoom, 12. 5. 2020
          • 18 May - 24 May

            Tema: Nanotehnologije

            Preberite poglavje 14 v učbeniku. Dodatno preletite prosojnice o prenovi mednarodnega sistema enot SI. Pri tem bodite pozorni, kjer vse se uporabljajo koncepti in pojavi iz kvantne mehanike (prehodi med stanji atomov, kvantni Hallov pojav, Josephsonov spoj, kvantizirana prevodnost). Opazite lahko še, da imajo po novem tudi Plackova konstanta h, osnovni naboj e_0, Boltzmannova konstanta k_B ter Avogadrovo število N_A fiksne vrednosti. (Po predhodnem dogovoru je to veljalo le za svetlobno hitrost c.)

            Posnetek srečanja na Zoom, 19. 5. 


            • 25 May - 31 May

              Tema: Magnetizem in shranjevanje podatkov

              Preberite preostanek učbenika, torej zadnji dve poglavji.

              Posnetek srečanja na Zoom, 26. 5.