Kursplan för Från kvantoptik till kvantteknologier

Kursplan fastställd 2023-02-08 av programansvarig (eller motsvarande).

Kursöversikt

  • Engelskt namnFrom quantum optics to quantum technologies
  • KurskodMCC185
  • Omfattning7,5 Högskolepoäng
  • ÄgareMPNAT
  • UtbildningsnivåAvancerad nivå
  • HuvudområdeTeknisk fysik
  • InstitutionMIKROTEKNOLOGI OCH NANOVETENSKAP
  • BetygsskalaTH - Mycket väl godkänd (5), Väl godkänd (4), Godkänd (3), Underkänd

Kurstillfälle 1

  • Undervisningsspråk Engelska
  • Anmälningskod 18116
  • Blockschema
  • Sökbar för utbytesstudenterJa

Poängfördelning

0122 Tentamen 7,5 hp
Betygsskala: TH		7,5 hp
  • 24 Okt 2023 fm J
  • Kontakta examinator
  • Kontakta examinator

I program

Examinator

Gå till kurshemsidan (Öppnas i ny flik)

Behörighet

Grundläggande behörighet för avancerad nivå
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Särskild behörighet

Engelska 6
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Kursspecifika förkunskaper

FUF040 Kvantfysik eller motsvarande ger nödvändiga förkunskaper. Följande kurser är rekommenderade att ha läst: TIF101 Tillämpad kvantfysik och TIF290 Kvantmekanik.

Syfte

Kursen introducerar hur man kan beskriva, manipulera och detektera kvantmekaniska system som enstaka atomer och fotoner, och hur framsteg inom kontroll och mätning av dessa system driver den så kallade "andra kvantrevolutionen" genom de fyra pelarna inom kvantteknologi: kvantberäkning, kvantsimulering, kvantkommunikation och kvantmätning. Denna revolution drivs framåt av stora forskningsinitiativ världen över, som Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT) i Sverige, där Chalmers är huvudnoden, EU Quantum Flagship in Europe, och många fler. Kursen ger en översikt över detta mycket aktiva forskningsfält och kopplar – via föreläsningar, övningspass och en laborationer i en toppmodern anläggning – till pågående forskning om kvantmekaniska supraledande kretsar, mikrovågsfotoner, och optomekansika system.

Lärandemål (efter fullgjord kurs ska studenten kunna)

Efter kursen ska studenterna kunna:
- Förstå skillnaden mellan klassiska och icke-klassiska elektromagnetiska fält
- Förklara och använda Jaynes-Cummings-modellen för interaktion mellan materia och strålning på kvantmekanisk nivå
- Använda Bloch-ekvationerna för att beskriva ett två-nivåsystems dissipativa dynamik
- Beräkna utmattningstillståndet för enkla kvantkretsar som består av elementära enstaka kvantbit operationer, sammanflätande grindar och mätningar
- Ha en grundläggande kunskap om de ledande arkitekturerna för att bygga en kvantdator och deras komparativa fördelar och nackdelar
- Förstå skillnaden mellan en kvantdator och en kvantsimulator, samt diskutera användningsfall för båda
- Förstå hur kvantteknologi kan bryta dagens krypteringsnycklar och hur säker kommunikation kan upprättas genom kvantlänkar
- Förklara standardkvantgränsen och hur man bryter den
- Förklara och experimentellt utföra manipulation och mätning av kvanttillstånd för en mikrovågsresonator, assisterad av en supraledande qubit

Innehåll

I den första delen av kursen kommer vi att studera grunderna för kvantoptik, det vill säga hur materia (atomer) interagerar med ett elektromagnetiskt fält på kvantnivå (fotoner). Vi kommer att studera både den semi-klassiska och den fulla kvantmekaniska ljus-materia-interaktionen och lära känna ljusets olika kvanttillstånd och deras kvantoptiska beskrivning. I experiment som implementerar dessa byggstenar av kvantoptik kan man använda en mångfald av fysiska system, t ex atomer, fångade joner eller konstgjorda atomer som supraledande mikroelektroniska kretsar som har kvantmekaniska egenskaper som atomer.

I den andra delen kommer vi att tillämpa kvantoptikens formalism på olika fysiska plattformar inklusive supraledande kretsar, fångade joner, kalla atomer, kväve-vakanscentra i diamant- och mekaniska resonatorer. Här är målet att förstå hur kvanteffekter kan utnyttjas för att bygga nya enheter och att använda nya mättekniker, som är nyckeln till alla de fyra kvantteknologipelarna. Kvantdatorer tillåter att utföra vissa beräkningar eller simuleringar genom att använda kvantalgoritmer som är snabbare än motsvarande klassiska algoritmer. Utvecklingen av kvantsimulatorer kan spåras tillbaka till R. Feynmans intuition att noggrant konstruerade kvantsystem skulle kunna användas för att effektivt simulera material och molekyler, vilket kan leda till genombrott inom materialvetenskap och kemi. Kvantkommunikationssystem gör det möjligt att kvantmekaniskt distribuera nycklar över absolut säkra kanaler och kan koppla samman kvantdatorer över stora avstånd. Slutligen drar kvantsensorer fördel av kvantfenomen som tillståndsuperposition och "pressade" kvanttillstånd för att bygga sensorer, bildsystem och metrologiska standarder med oöverträffad noggrannhet.

Del I
1.    Byggstenar av kvantmekanik och kvantoptik
2.    Fotoner: klassiska och kvanta strålningstillstånd
3.    Wigner funktioner och Wigner tomografi
4.    Atomfältinteraktioner: Rabi-oscillationer och Jaynes-Cummings Hamiltonian
5.    Kvantdekoherens och Blochs ekvationer
6.    Avläsning av kvantinformation

Del II
1.    Grunderna i kvantberäkning
2.    Översikt över arkitekturer för kvantberäkning
3.    Krets kvantelektrodynamik och dess tillämpningar
4.    Kvantsimulering
5.    Kvantkommunikation
6.    Mikrovågs-till-optisk transduction
7.    Kvantavkänning

Organisation

Föreläsningar, räkneövningar, hemuppgifter, forskningsnära laboration med labbrapport

Litteratur

Föreläsningsanteckningar.

Följande böcker är bra men inte helt nödvändiga att skaffa:

"Introductory Quantum Optics" Christopher Gerry and Peter Knight, Cambridge University Press, ISBN-10: 052152735X

"Quantum Computation and Quantum Information" Michael A. Nielsen and Isaac L. Chuang Cambridge University Press (2000) ISBN 0 521 63503 9. Finns som e-bok på biblioteket.

Examination inklusive obligatoriska moment

Kursen består av den följande examinationsformer: fyra obligatoriska inlämningsuppgifter, labbrapport och tentamen. För att klara kursen måste man få minst 40% av poäng på tentamen och delta i labbet och skicka in en skriftlig labbrapport. Betyget baseras sedan på: tentamen (50%), inlämningsuppgifter (35%) och labbrapport (15%).

Kursens examinator får examinera enstaka studenter på annat sätt än vad som anges ovan om särskilda skäl föreligger, till exempel om en student har ett beslut från Chalmers om pedagogiskt stöd på grund av funktionsnedsättning.