Новосибирский Государственный технический университет
Факультет «Радиотехники электроники и физики»
Кафедра «полупроводниковые приборы и микроэлектроника»
|
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине
КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР и квантовые вычисления
по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника»
Магистерская подготовка
Факультет Радиотехники электроники и физики.
Кафедра Полупроводниковых приборов и микроэлектроники
Курс __6_ Семестр __11__
Лекции 36 час.
Индивидуальная работа 36 час.
Самостоятельная работа 60 час.
Зачет 11 cем.
Всего часов 132 час.
Новосибирск
2006
1.Внешние требования
Дисциплина включена в учебный план подготовки магистров по направлению 210100.
Шифр дисциплины | Содержание учебной дисциплины | Часы |
ДМВ.01 | Изучение физических основ квантовых вычислений, принципов работы квантового компьютера и возможных способов его реализации. | 132 |
Курс входит в число фундаментальных дисциплин, включенных в программу подготовки магистров по направлению 210100.
Требования государственного образовательного стандарта (ГОС) по направлению210100 «Электроника и микроэлектроника», обусловленные специализированной подготовкой магистра, включают
владение:
· навыками самостоятельной научно-исследовательской и педагогической деятельности;
· методами исследования, проектирования и конструирования объектов электронной техники;
· методами и средствами компьютерного моделирования физических процессов и явлений в материалах, приборах и устройствах электроники;
· информационными и телекоммуникационными технологиями в образовании и науке;
умение:
· формулировать и решать задачи, возникающие в ходе научно-исследовательской и педагогической деятельности, и требующие углубленных профессиональных знаний;
· выбирать необходимые методы исследования, расчета и конструирования объектов электроники, исходя из конкретных задач;
· обобщать и отрабатывать полученные результаты, анализировать и осмысливать их с учетом литературных данных;
· вести библиографическую работу с привлечением современных информационных технологий;
· представлять итоги проделанной работы в виде отчетов, обзоров, докладов, рефератов и статей, оформленных в соответствии с общепринятыми нормами, с привлечением современных средств редактирования и печати;
· использовать математический аппарат и численные методы, физические и математические модели процессов и явлений, лежащих в основе принципов действия приборов и устройств электроники и микроэлектроники;
· ориентироваться в современной элементной базе электронной техники и типовых технологических процессах;
· применять типовые программные продукты, ориентированные на решение научных, проектных и технологических задач электроники;
- использовать новые физические явления для создания новых
материалов, компонентов, приборов и устройств электроники и
микроэлектроники.
Квалификационные требования:
для компетентного и ответственного решения профессиональных задач магистрант
должен знать: физические и математические модели, методы и средства экспериментального изучения объектов исследования;
должен уметь: использовать современные экспериментальные и теоретические методы и средства анализа и моделирования объектов профессиональной деятельности.
2.Особенности построения программы курса и цели дисциплины
Особенность (принцип) | Содержание |
Основание для ведения курса | Дисциплина включена в учебный план подготовки магистров по направлению 210100 |
Адресат курса | Магистры по направлению 210100 |
Главная цель | изучение физических основ квантовых вычислений, принципов работы квантового компьютера и способов его реализации |
Ядро курса | систематическое изложение как математических, так и физических основ квантовых вычислений и принципов работы квантового компьютера, изложение физических ограничений при проведении полномасштабных вычислений, а также изучение физических процессов, лежащих в основе возможных вариантов реализации кубита |
Требования к начальной подготовке, необходимые для успешного усвоения курса | для успешного изучения курса магистранту необходимо знать высшую математику, квантовую механику, физику твёрдого тела, статистику и физику полупроводников, иметь элементарные навыки программирования и работы с персональным компьютером. |
Уровень требований по сравнению с ГОС | Соответствует требованиям ГОС |
Описание основных «точек» | Оценка знаний и умений студентов проводится с помощью зачета, который включает в себя 25 вопросов по основным проблемам курса. |
3. Цели учебной дисциплины
Номер цели | Содержание цели |
Магистрант будет иметь представление: | |
1 | об истории развития основных положений квантовой механики и современном состоянии исследований в этой области, принципах работы квантового компьютера, о физических явлениях, лежащих в основе его функционирования; |
2 | об основных понятиях квантовой теории информации, квантовых логических операциях, простейших квантовых алгоритмах, квантовой телепортации, методах коррекции ошибок; |
3 | об основных требованиях, выполнение которых необходимо для реализации любого полномасштабного квантового компьютера, примеры реализации кубита на ионах в электромагнитных ловушках, на ядерных и электронных спинах, на квантовых точках; |
4 | о перспективе развития теории квантовых вычислений, моделировании квантовых систем. |
Магистрант будет знать | |
5 | понятийный аппарат (терминологию) дисциплины; |
6 | предмет курса: методы описания квантовых вычислений, общие представления об использовании математического аппарата для описания физических процессов эволюции кубитов; |
7 | физические свойства кубитов: когерентность, запутанность; |
8 | общие понятия об основных элементах квантовой теории информации: неклонируемость квантового состояния, плотное кодирование, квантовая телепортация, квантовая криптография; |
9 | общие понятия об основах квантовых алгоритмов: имитация физических систем, алгоритм Дойча-Джозса, исправления квантовых ошибок; |
10 | о необходимых условиях для физической реализации кубита, межкубитных взаимодействиях, физических особенностях работы кубитов для различных реализаций; |
11 | об основных физических проблемам при адресации к кубиту, считывании информации, проведении квантовых логических операций. |
Магистрант должен уметь: | |
12 | объяснить особенности работы квантового компьютера; |
13 | излагать основы работы квантовых алгоритмов и основы теории квантовой информации; |
14 | использовать основы квантовой механики для описания процессов управления состоянием кубита; |
15 | проводить записи простых квантовых алгоритмов и обосновывать их физическую интерпретацию; |
16 | проводить качественный анализ необходимых физических условий для реализации кубита. |
4. Содержание и структура учебной дисциплины
Модуль 1 Введение в квантовую «логику» | Фундаментальные правила оперирования с амплитудой вероятности и вероятностью. Суперпозиция квантовых состояний. |
Модуль 2 Двухуровневая квантовая система | Характеристики квантовых частиц и систем. Понятие спина, спин электрона, спин ядра, поляризация фотона. |
Модуль 3 Теоретические основы квантовой механики | Экскурс в историю создания квантовой механики. Проблемы «квантового» описания реальности. |
Модуль 4 Формализованный анализ квантовых явлений | Гильбертово пространство, анализ экспериментов по интерференции и рассеянию квантовых частиц. Чистые, смешанные и запутанные состояния. Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена. |
Модуль 5 Основы квантовой информатики | Квантовые вентили. Телепортация неизвестного квантового состояния. Плотное кодирование. |
Модуль 6 Простейшие квантовые алгоритмы | Задача и алгоритм Дойча. Коррекция квантовых ошибок. Основные положения алгоритма Шора. |
Модуль 7 Основные физические условия реализации регистра кубитов | Общее представление структуры квантового компьютера. Декогеренция. Двухкубитные операции, физическое взаимодействие квантовых объектов. |
Модуль 8 Предложения по реализации кубита | Квантовый компьютер на ионах в силовых ловушках. Квантовый компьютер на квантовых точках. Модель Кейна. Модель Ди Винченцо с соавторами. Сложности реализации. Обзор состояния дел на текущий момент. |
Описание лекционных занятий размещается в табл. 4 с указанием семестра, в котором организуется обучение по данной дисциплине
Таблица 4
Ссылки на цели курса | Часы | Темы лекционных занятий |
1, 3-5 | 1 | Введение. Классическая теория информации. Типы вычислительных машин: аналоговые вычислительные автоматы, оптические аналоговые вычислительные машины, классический компьютер, их особенности. Принципы функционирования классического компьютера. |
2, 5, 6, 12 | 2 | Специфика физики микрообъектов. Физические основы квантовой механики: принципиальные эксперименты по интерференции и рассеянию квантовых частиц, амплитуда вероятности переходов. Правила работы с амплитудами, различимые и неразличимые альтернативы. |
5, 6, 7,8 | 1 | Принцип суперпозиции состояний. Базисные состояния. Измерения в квантовой механике. |
5, 6, 8 | 1 | Квантовые частицы и их характеристики: спин, поляризация фотона. Основы строения атома. |
1, 5, 8, 9 | 1 | Экскурс в историю создания квантовой механики. Проблемы «квантового» описания реальности. |
5, 6 | 1 | Представление Шредингера. Векторное пространство, кет, бра вектора, линейные операции, матричная запись. |
5, 6, 9 | 2 | Гильбертово пространство, анализ экспериментов по интерференции и рассеянию квантовых частиц, суперпозиционное состояние, переходы между уровнями. |
3-6, 9 | 2 | Вывод неравенства Белла. Перепутанные состояния ЭПР и «шредингеровского кота». Парадокс ЭПР. Эксперименты Аспекта, нарушение принципа локальности. |
2-6, 8, 9 | 2 | Обратимые логические операции и обратимые вентили. Квантовые вентили: оператор Адамара, контролируемое НЕТ, дважды контролируемое НЕТ. |
3, 8, 9 | 3 | Матричное представление операторов. Телепортация неизвестного квантового состояния. Криптография. Плотное кодирование. |
2, 5, 8, 9-15 | 3 | Формирование запутанного состояния, задача Дойча. Коррекция квантовых ошибок. |
4, 6, 12 | 2 | Основные положения алгоритма Шора. |
2-4, 7, 10-16 | 2 | Общее представление структуры квантового компьютера. Декогеренция, обратимость физических процессов, вычислительная схема без диссипации энергии. |
2, 7, 10-14 | 2 | Двухкубитные операции, физическое взаимодействие квантовых объектов. |
3, 10-14 | 2 | Основные представления о способе реализации квантового компьютера на ионах в силовых ловушках. Лазерное охлаждение ионов. |
3, 10-14 | 2 | Квантовый компьютер на квантовых точках. Связь между кубитами. Считывание результатов. |
3, 10-14 | 2 | Модель Кейна. |
3, 10-14 | 2 | Модель Ди Винченцо с соавторами. Взаимодействие между кубитами. Измерение состояния кубитов. |
3, 14 | 2 | Сложности реализации проекта. Дальнейшее развитие моделей, пути практической разработки твердотельного кубита. |
3, 12, 14 | 1 | Обзор состояния дел на текущий момент. |
5.Учебная деятельность
В процессе изучения курса студенту предстоит:
-прослушать лекции;
-изучить с помощью учебно-методической литературы некоторые темы и разделы курса;
Лекции читаются по основополагающим, наиболее сложным разделам и темам..
В 11 семестре проводится зачет, который включает вопросы по основным разделам курса
6.Правила аттестации студентов по учебной дисциплине
Ниже в таблице приведена рейтинговая система оценки работы студента по отдельным видам деятельности.
Вид деятельности | Максимальный рейтинг | Достаточный рейтинг для зачета |
Контрольная работа | 50 | 30 |
Теоретический опрос | 50 | 30 |
Итого: | 100 | 60 |
Для получения зачета необходимо набрать не менее 60 баллов.
7.Литература
Основная:
1. , . Квантовые компьютеры: надежды и реальность. Москва, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001 г.
2. Э. Стин. Квантовые вычисления. Москва, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000 г.
3. Quantum computer and Computing № 1, 2001 г. Москва, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика».
4. , , . Квантовая телепортация – обыкновенное чудо. Ижевск, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000 г.
Дополнительная:
5. . Основы квантовой механики. Москва, «Высшая школа», 1978г.
6. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Феймановские лекции по физике. тт. 8, 9. Москва, «Мир», 1966 г.
7. Квантовые вычисления I 1999 – Квантовые вычисления: за и против. Ижевск, «Регулярная и хаотическая динамика», 1999 г.
8. Квантовые вычисления II 1999 – Квантовый компьютер и квантовые вычисления. Ижевск, «Регулярная и хаотическая динамика», 1999 г.
9. Д. Дойч, Структура реальности. Москва, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001 г.
10. . Лекции по линейной алгебре. Москва, «Добросвет» МЦНМО, 1998 г.
11. Quantum computer and Computing № 2, 2001 г. Москва, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика».
8. Примерный перечень тем для индивидуальной работы.
1. Зависимость амплитуд от времени. «Прецессия» частицы со спином ½.
2. Квантовые системы с двумя состояниями.
3. Решение задачи для частицы со спином ½ в магнитном поле.
4. Решение уравнение для двух состояний.
5. Сверхтонкое расщепление в водороде.
6. Переходы в двухуровневой системе при резонансе.
7. Состояния поляризации фотона.
8. Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена.
9. Телепортация, алгоритм процесса.
10. Плотное кодирование, алгоритм процесса.
11. Коррекция квантовых ошибок, алгоритм процесса.
12. Кубит, принципиальные требования для его реализации.
13. Принцип работы твердотельного варианта кубита по Кейну.
14. Особенности варианта кубита по Ди Винченцо.
15. Основы работы кубита на квантовых точках.
16. Схема структуры квантового компьютера.
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования для подготовки бакалавров техники и технологии по направлению 210100-«Электроника и микроэлектроника» Стандарт утвержден 10.03.03, регистрационный номер-22тех/маг.
Рабочая программа обсуждена и утверждена заседании кафедры ППиМЭ
От 2006 г. , протокол №
Программу составил к. ф.м. н.
.
Зав. кафедрой ППиМЭ проф.
Ответственный за ООП
