Računalniške tehnologije
Section 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 skoraj 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". V zadnjem delu se bomo posvetili vprašanju kako narediti kubit in naredili pregled fizikalnih sistemov, ki predstavljajo perspektivne eksperimentalne podlage za njihovo implementacijo. Na koncu se bomo posvetili konkretnim kvantnim algoritmom, npr. Groverjev algoritem, in njihovi praktični implementacija na kvantnih računalnikih, ter spoznamo prednosti in omejitve trenutne tehnologije.
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 doc. dr. Denis Golež z Instituta Jožef Stefan in UL FMF, denis.golez@ijs.si, domača stran, vaje bo vodila dr. Urška Andrenšek, mailto:urska.andrensek@ijs.si, prav tako z IJS in FMF, .
Termini v letu 2024: predavanja bodo ob sredah od 14.15h do 17.00h v P04, vaje pa ob torkih od 7.15h do 9.00h v PR11.
Za pokušino: 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.
-
Jack D. Hidary: Quantum computing: an applied approach.
Springer; 2nd ed. (2021).
- 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
Primeri programov iz predavanj in vaj:
Na tej povezavi github_racunalniske najdete implementacije primerov kvantnih vezij iz predavanj in vaj.
-
Predvidena izpitna vprašanja za ustne izpite. Na ustnem izpitu se odgovarja na štiri naključno izžrebana vprašanja s tega seznama in dodatno vprašanje za najvišje ocene.
-
-
-
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:
-
-
Vsebina: kinematika, dinamika, enačbe givanja, nihanje, harmonično nihalo, resonanca, linearnost, kaotično gibanje, valovanje.
-
-
Vsebina: 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 sevanje
-
-
Osnove kvantne mehanikeVsebina: postulati kvantne mehanike, spin, meritve, kubit in Blochova sferaDodatno gradivo:https://en.wikipedia.org/wiki/Tensor_product
Dodatno: malo prelistajte knjigo Thomasa Wonga Introduction to classical and quantum computation.
-
-
Kvantno računanje I
Tema: Večdelčni kvantni sistemi, Operacije s tenzorskimi stanji, izrek o prepovedi kloniranja, ustvarjanje preplenosti in meritve v Bellovi bazi, supergosto kodiranje, kvantna teleportacija.
-
-
-
-
Tema: spin v magnetnem polju in jedrska magnetna resonanca. Dinamika kvantnih delcev (Schroedingerjeva enačba, valovna funkcija, gibanje elektrona v potencialu in preko ovire).
-
-
14. 4. je svetovni kvantni dan. Leta 2021 je imel ob tej priložnosti predavanje Alain Aspect, posnetek je na volju tu:. Oglejte si tudi letošnji posnetek s pozdravi.
-
-
Tema: Nedoločenost, Heisenbergova neenačba, združljivost in komplementarnost.
Dodatno branje (fakultativno): Težave z interpretacijo kvantne mehanike na Kvarkadabri (avtor Sašo Dolenc). -
-
Tema: Reverzibilnost in Toffoli vrata, Deutsch-Jotzsa, Grover in Schor algoritmi.
-
-
Tema: različne implementacije kubitov - ujeti ioni, superprevodne tehnologije [SQUID in nabojski kubit], spinske kvantne pike
-
-
Vabljeno predavanje na temo kvantnega adiabatnega računanja in primer optimizacije na D-wave arhitekturi.
-
-
Tema: Elektroni v kristalih, prevodniki in polprevodniki. Dioda in transistor.
-