Введение в квантовую информатику для физиков

Курс представляет собой введение в новую физическую дисциплину- квантовую информатику. Курс состоит из двух частей. В первой части излагается волновая квантовая механика Шредингера и рассматриваются ее приложения к задачам об энергетических спектрах квантовых систем (электрон в потенциальной яме, осциллятор, атом водорода, электрон в кристаллической решетке, низкоразмерные структуры). На этой основе рассматриваются физические принципы работы p-n перехода и полупроводникового транзистора и реализация c их помощью классических битов (ячеек памяти и логических операций) в классическом компьютере. Во второй части курса производится переход к матричному представлению квантовой механики. По аналогии с угловым орбитальным моментом электрона в атоме вводится понятие спина электрона. Кратко излагается теория квантовых измерений. Рассматриваются основные представления квантовой информатики (квантовый бит-кубит, логические квантовые операторы, квантовые схемы, схемы квантового компьютера). Рассмотрены различные варианты физической реализации кубита(спин, двухуровневый атом, фотон, сверхпроводящие контакты Джозефсона). Вводятся понятия матрицы плотности и декогеренции кубита. Проводится сравнительное описание функционирования двухуровневых атомов в квантовом компьютере, в лазере и в когерентных атомных процессах. Заключительные разделы курса посвящены применению квантовых схем для задач безопасной передачи информации по квантовым каналам и разработки алгоритмов для квантовых компьютеров. Проводится сравнение объемов памяти и производительности классических и квантовых компьютеров. Дается обзор современного состояния проблемы физической реализации квантовых цифрового и аналогового компьютеров.