Computer Technologies
Weekly outline
-
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 (kvantne komunikacije, kvantno računanje, kvantno simuliranje, kvantno zaznavanje). 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 najbolj relevantni v računalništvu.
Obravnava je zadosti podrobna, da študenti usvojijo dovolj 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 prostorih (sistemi kubitov), tako da večinoma zadošča predznanje osnov linearne algebre, obvladovanje parcialnih diferencialnih enačb pa sploh ne bo potrebno.
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. Tako bomo spoznali vse pomembne gradnike prihajajočih "kvantnih tehnologij". Govora bo o kvantnih generatorjih naključnih števil, virih prepletenih fotonov in kvantnih pomnilnikih za izgradnjo "kvantnega interneta", o neverjetno natančnih atomskih urah in o izjemno občutljivih senzorjih z občutljivostjo, ki jo omejujejo samo osnovna načela kvantne fizike.
Za zabavo obdelamo še nekaj filozofsko 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 in UL FMF, rok.zitko@ijs.si, domača stran, vaje bo vodil dr. Denis Golež, prav tako z IJS in FMF, denis.golez@ijs.si, domača stran.
Termini v letu 2022: predavanja bodo ob ponedeljkih od 9h do 12h v P04, vaje pa ob petkih od 7h do 9h v PR08. Prva predavanja bodo takoj ob začetku semestra, v ponedeljek 13. 2. 2023.
Za pokušino: predavateljevo poljudno predavanje o kvantnih tehnologijah (kolokvij IJS in FMF, posnetek na Videolectures), in podcast Frekvenca X: Prvi koraki do kvantne premoči, Drugi del: Teleportacija? Tudi to je mogoče! Tretji del: Varne komunikacije in nevaren nadzorLiteratura:- Rok Žitko: Kvantne in računalniške tehnologije, DMFA, Ljubljana (2017)
Mnemonični učni medij Quantum computing for the very curious. Gre za nov (2019) spletni "učbenik" osnov kvantnega računalništva z interaktivnimi vprašanji, s periodičnim ponavljanjem z optimalno izbranim časom ponovitev, kar omogoča dobro pomnjenje ("almost effortless to remember what you read"). Več o tem povem ob prvem srečanju.
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.
- J. P. Dowling: Schrödinger's Killer App: Race to build the World's First Quantum Computer, CRC Press (2013). Poljudna knjiga o kvantnih računalnikih.
- J. P. Dowling: Schrödinger's Web: Race to build the Quantum Internet, CRC Press (2021). Poljudna knjiga o kvantnem internetu.
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
-
Predvidena izpitna vprašanja za ustne izpite. Na ustnem izpitu se odgovarja na pet naključno izžrebanih vprašanj s tega seznama.
-
Tekst nalog, ki jih delamo na vajah
-
Za izmenjavo uporabnih študijskih virov, vprašanja, ipd. Dovoljene so krajše priponke.
-
-
- Rok Žitko: Kvantne in računalniške tehnologije, DMFA, Ljubljana (2017)
-
Uvodno predavanjeMathematične osnove: kompleksna števila, diferencialne enačbe, linearnost, razvoj v Taylorjevo vrsto, trigonometrijske zveze, linearna algebraDodatno gradivo (predvsem linearna algebra):Relevantne strani na Wikipediji:
-
-
Nihanje in valovanjeVsebina: kinematika, dinamika, enačbe givanja, nihanje, harmonično nihalo, resonanca, linearnost, kaotično gibanje, valovanje.
-
-
Nihanje in valovanjeVsebina: valovna enačba, ravni val, struna, načelo superpozicije, utripanje, interferencaSnov in sevanjeVsebina: moderna fizika, kvantna polja, dualnost, standardni model, fermioni, bozoni, temna snov
-
-
Snov in sevanjeVsebina: Svetloba, črno telo, foton, fotoefekt, sevalni tlak, Comptonovo sevanjeOsnove kvantne mehanikeVsebina: ...Dodatno gradivo:https://en.wikipedia.org/wiki/Tensor_producthttps://michaelnielsen.org/blog/quantum-computing-for-the-determined/ (to so predavanja M. Nielsena, na podlagi katerih je nastal esej, ki ga beremo)
-
-
Tema: postulati kvantne mehanike, spin, kvantni generatorji naključnih števil, tenzorski produkt
Dodatno: malo prelistajte knjigo Thomasa Wonga Introduction to classical and quantum computation.
-
-
Tema: Operacije s tenzorskimi stanji, izrek o prepovedi kloniranja, ustvarjanje prepelenosti in meritve v Bellovi bazi, supergosto kodiranje, kvantna teleportacija
-
-
-
Tema: Kvantna strojna oprema (različne paradigme, kubiti: ujeti ioni, superprevodne naprave, spinski kubiti, topološko kvantno računanje), Dinamika kvantnih delcev (Schroedingerjeva enačba, valovna funkcija, gibanje elektrona v potencialu)
-
-
Velikonočni ponedeljek.
14. 4. je svetovni kvantni dan. Predlani je imel ob tej priložnosti predavanje Alain Aspect, posnetek je na volju tu:
-
Tema: De Broglieva zveza, valovna funkcija, gibanje kvantnih delcev, operator gibalne količine, ravni val, Potencialne jame, robni pogoji za valovno funkcijo.
-
-
Tema: Nedoločenost, Heisenbergova neenačba, združljivost in komplementarnost, kvantna radirka, Bellova neenačba; mikroskopija.Dodatno branje (fakultativno): Težave z interpretacijo kvantne mehanike na Kvarkadabri (avtor Sašo Dolenc).
-
Prvi maj.
-
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.Obravnavane teme: Bohrov model atoma, nedoločenost, valovne funkcije za vodikov atom, prehodi, kristali, gibanje elektronov v kristalih, pasovna struktura.
-
-
-
-
Tema: Polprevodniške naprave, heterostrukture, gostota stanj v nizkodimenzionalnih sistemih, kvantizirana prevodnost, nanotehnologije
-
-
Tema: nanotehnologije, magnetizem, shranjevanje podatkov.
-