Kvanttilaskennan aakkoset

Mistä on kyse?

Kvantti-informaatio ja kvanttilaskenta ovat aika ihmeellisiä, sillä kvanttifysiikka on erilaista fysiikkaa kuin arkipäivän fysiikka. Mutta kvanttiasiat ovat silti ihan ymmärrettävissä kun otamme avuksi matematiikan kielen.

Kvanttisysteemit käyttäytyvät eri tavalla kuin arkipäivän fysikaaliset systeemit ja sen vuoksi kvantti-informaatio on erilaista informaatiota. Näin ollen myös informaation prosessoinnin säännöt ovat erilaiset kvantti-informaatiolle. Ymmärtääksemme informaation prosessoinnin mahdollisuuksia ja rajoituksia, on syytä perehtyä kvantti-informaatioon ja kvanttilaskentaan nyt, kun kvanttitietokoneita rakennetaan ja kehitetään yhä paremmiksi.

Kvanttilaskennan aakkoset on kvantti-informaation ja kvanttilaskennan tietopaketti kaikille kiinnostuneille. Tämä B-osa on toinen palanen Kvanttiaakkosten sarjassa. Jos et vielä ole opiskellut A-osaa, niin opintie kannattaa aloittaa siitä.

Kurssin varsinaiseen materiaaliin pääset yläpalkin Dokumentti-kohdasta tai tästä. (Yläpalkki tulee näkyviin kun kirjaudut TIMiin.) Tällä sivulla on yleisiä ohjeita kurssin suorittamisesta. Jos sinulla on jo palava halu oppia kvanttilaskentaa, voit hypätä dokumenttiin ja palata ohjeisiin siinä vaiheessa kun koet niitä tarvitsevasi.

Huom!

Jos haluat kurssista suoritusmerkinnän, niin rekisteröidy kurssille ennen kuin alat tehdä tehtäviä. Vaikka et välittäisi suoritusmerkinnästä, niin rekisteröitymällä saat koko kurssimateriaalin käyttöösi.

Rekisteröityneenä tehtäväsi tallentuvat ja voit palata niihin myöhemmin. Kurssi on pääosaltaan avoin myös ilman rekisteröitymistä, mutta keskustelupalsta ja viimeisen jakson harjoitustehtävät vaativat rekisteröitymisen joko Jyväskylän yliopiston tai avoimen yliopiston kautta. Kurssi on ilmainen avoimen yliopiston kautta suoritettuna.

-> kurssi-ilmoittautuminen Jyväskylän yliopiston opiskelijoille Sisussa

-> kurssi-ilmoittautuminen avoimen yliopiston kautta

Jos et haluat rekisteröityä kurssille, niin on silti suositeltavaa kirjautua TIMiin. Näin saat valtaosan kurssimateriaalista käyttöösi ja tekemäsi tehtävät tallentuvat.

-> Voit kirjautua sisään TIMiin tästä:

Jos sinulla ei vielä ole TIM-tiliä, saat rekisteröityä uuden tilin samasta kohdasta.

Jos haluat vain selailla kurssimateriaalia, niin käyhän sekin. Muista kuitenkin kirjautua TIMiin ja mahdollisesti rekisteröityä kurssille siinä kohtaa, kun tehtävien tekeminen alkaa kiinnostaa.

-> kurssidokumentti

Kenelle kurssi on tarkoitettu?

Kvanttiaakkosten B-osa sopii kenelle tahansa A-osan suorittaneelle, joka haluaa tietää lisää kvanttilaskennasta. Kun A-osassa opeteltiin peruskäsitteitä, on B-osan keskiössä kvanttiporttilaskennassa tarvittava matemaattinen merkintätapa ja kvantti-informaatiossa vastaan tulevan matematiikan alkeet. Tämän harjoittelu saattaa vaatia kärsivällisyyttä. Tämäkin Kvanttiaakkosten osio on pyritty tekemään sellaiseksi, että voit oppia asioita tekemisen kautta. Kurssin olennainen osa on itsenäisesti tehtävät harjoitukset, jotka etenevät helposta vaikeampaan. Esitiedoiksi et tarvitse muuta kuin A-osan tiedot.

Mitä kurssilla oppii?

Opintojaksolla keskitytään kvanttiporttilaskennan perusasetelman matemaattiseen kuvaamiseen. Tämä mahdollistaa täsmällisemmän selityksen kaikelle sille, mitä A-osassa käytiin läpi. Mikä vielä tärkeämpää, kvanttilaskennalle olennaiset käsitteet kvanttitila, kvanttiportti, superpositio ja lomittuminen voidaan nyt määritellä kunnolla.

Käytyäsi B-osan huolella läpi kaikkine tehtävineen

ymmärrät laskennan fysikaalisen kuvauksen tilan, prosessin ja mittauksen avulla
osaat merkitä kubitin tiloja vektoreina
osaat merkitä kubitin portteja matriiseina
tiedät, miten kvanttiporttilaskennan lopputulos määräytyy
tunnet superposition ja lomittumisen käsitteet

Lisäksi B-osa antaa pohjan kvantti-informaation sovelluksiin tutustumiseen, joihin mennään C-osassa.

Miksi pitäisi opetella matematiikka?

Kvanttiaakkosten A-osassa oli hauskaa, kun tehtävät sai tehdä kvanttiporttisimulaattoria vinguttaen. Onko kaikki mukava pakko pilata matematiikalla?

Matemaattisen merkintätavan avulla porttilaskennan porteille voidaan antaa tarkat kuvaukset. Tämä mahdollistaa sen, että annetun portin toiminnassa ei ole yllätyksiä tai epäselvyyksiä. Koko sen toiminta käy ilmi matriisimerkinnästä.

Esimerkiksi Z-portin toimintaa ei A-osan pohjalta voi kunnolla selittää. B-osassa se tulee täysin kuvatuksi ja se on vieläpä tosi helppoa. Myös superposition ja lomittumisen, jotka ovat kvanttilaskennan perusjuttuja, voi nyt määritellä tyydyttävästi.

Tarvittavia matemaattisia peruslaskutoimituksia käydään läpi valotaululla. Näet askel askeleelta, miten laskuja lasketaan. Kun olet nähnyt laskun, pääset heti tekemään sitä vastaavan harjoituksen.

Kurssi on pyritty suunnittelemaan niin, että siinä ei ole isoja loikkia. Harjoitukset etenevät helpoista hiukan vaikeampiin.

Tottakai mukana on jälleen koko joukko simulaattoritehtäviä. Nehän ovat tietenkin niitä hauskimpia harjoituksia.

Kun opit enemmän ja enemmän kvanttilaskennan matemaattista teoriaa niin huomaat, että pystyt päättelemään yhä paremmin simulaattoritehtävien vastaukset. Matematiikka antaa pohjan ymmärtää kvanttilaskennan teoriaa.

Miten kurssi suoritetaan?

B-osa suoritetaan samaan tapaan kuin A-osakin. Kurssin suorittamiseksi käy läpi kurssin koko materiaali ja erityisesti

testaa kaikkia kokeile itse -laatikoita
vastaa kaikkiin kysymyksiin (väärin vastaaminen ei haittaa)
tee kaikki tehtävät loppuun asti
aivan lopuksi pohdi oppimaasi ja kiteytä pääkohdat muutamaan lauseeseen

Klikkaa Tallenna toimintasi jälkeen aina kun sellainen on laatikon sisällä. Näin tekemisesi kirjautuu. Tallentaminen saa aikaan myös vastauksesi tarkistuksen. Jos vastauksesi on väärä, niin tehtävien kohdalla jatka yrittämistä.

Kysymykseen voit vastata vain kerran, joten ei kannata lähteä suin päin arvailemaan. Jos olet epävarma, niin palaa tekstiin ja videoihin tai kysymykseen liittyvään 'kokeile itse' -laatikkoon. Toki väärin vastaaminenkaan ei haittaa, vaan silloin tiedät tarvitsevasi kertausta. Kysymysten tarkoituksena on antaa sinulle mahdollisuus testata, että olet ymmärtänyt asian.

Tehtäviä saa tehdä niin monta kertaa, kuin on tarvis. Tehtävien avulla saat harjoiteltua kurssin asioita. Tyypillisesti tehtävässä haettu oivallus vaatii kokeiluja. Porttitehtävän tullessa vastaan ala pelottomasti kokeilla kaikkia sen sallimia portteja ja syötteitä. Pääsääntöisesti kannattaa tehdä tehtävät loppuun asti sitä mukaa kun niitä tulee. Voit toki jättää myös jonkin hankalan tehtävän hautumaan ja palata siihen myöhemmin. Kurssin läpäisemiseksi kaikki tehtävät tulee olla tehtynä.

Suorituksesi voit tarkistaa dokumentin lopusta, jossa on listattuna vastaamattomat kysymykset ja tekemättömät tehtävät.

Tarvitsetko apua tehtävien kanssa?

Jos tarvitset apua kurssin tehtävissä tai haluat tarkennusta johonkin asiaan, niin oikea paikka kysymyksille on kurssin keskustelupalsta. Keskustelupalstalle pääset yläpalkin Keskustelu-kohdasta.

Useimpiin tehtäviin löytyy jo valmiiksi vinkkiä tehtävän alapuolelta klikkaamalla vihreää Kvanttipöllö-logoa. Jos jäät jumiin, niin kysy neuvoa keskustelupalstalla. Kannattaa ensin silmäillä aikaisempaa keskustelua läpi, sillä joku muu on saattanut jo kysyä samaa asiaa.

Kuka on vastuussa?

Kvanttilaskennan aakkosten vastuullinen opettaja on Teiko Heinosaari. Kurssia koskevissa asioissa tavoitat opettajan osoitteesta kvanttiaakkoset@jyu.fi. Kaikki tehtäviä tai muuta kurssimateriaalia koskevat kysymykset kuuluvat keskustelupalstalle.

Miten dokumenttia käytetään?

Kurssimateriaali on yksi yhtenäinen dokumentti, jossa on tekstiä, videoita, kysymyksiä ja harjoituksia.

Ohjeita videoiden katseluun:

Lue videon vieressä tai alla (riippuen mitä laitetta käytät) olevat saatesanat ajatuksella ennen kuin alat katsoa videota.
Speed -kohdasta voit säätää videon nopeutta.
Adv -valinnasta saat näkyviin hyppäykset eteen ja taakse.
Tekstityksen saat päälle kolmen pisteen takaa (Chrome) tai CC-ikonista (Firefox).
Hide file-painikkeesta saat videonäkymän pois sen katsottuasi.

En tee kurssia yhdellä istumalla. Miten muistan mihin kohtaan olen jäänyt?

Sivun oikeassa reunassa on näkyvissä oransseja palkkeja. Oranssi palkki on merkkinä lohkosta, jota et ole vielä lukenut. Oranssia palkkia klikkaamalla voit merkitä kohdan luetuksi. Klikkaamalla saat merkittyä luetuksi dokumentin lohkot edelliseen otsikkotasoon asti. Jos et pidä palkeista, voit poistaa ne kokonaan käytöstä klikkaamalla ratasta -> Merkitse kaikki luetuksi. Palkit ovat kuitenkin suositeltava tapa pitää kirjaa omasta etenemisestäsi, joten kannattaa ainakin kokeilla niiden käyttöä.

Haluan kirjoittaa itselleni muistiinpanoja marginaaliin. Miten se onnistuu?

Muistiinpanon kirjoittamista marginaaliin kutsutaan TIMissä kommentoinniksi. Kommentointi kannattaa ottaa aktiiviseksi osaksi opiskelua. Kommentointi onnistuu seuraavalla tavalla:

Klikkaa lohkoa ja sen jälkeen muokkausvalikkoa . Valitse Comment/note .
Kirjoita kommentti Add comment -lomakkeeseen.
Valitse, näkyykö kommentti kaikille (Everyone) vai vain sinulle (Just me).
Tallenna kommentti painikkeesta Save.

Huom! Vaikka kirjoittaisit kommentin kaikille, ei siinä näy nimeäsi. Voit hyvin jakaa ajatuksesi myös muille.

Jos olet siirtänyt muokkausvalikon lohkon vasemmalle puolelle, klikkaa lohkoa, jolloin sen oikealle puolelle tulee C-kirjain (Comment), klikkaa C-kirjainta

Mikä kumma on TIM?

Kvanttilaskennan aakkoset käyttää alustanaan TIMiä. TIM (The Interactive Material) on monipuolinen oppimisalusta, jonka avulla voidaan luoda interaktiivisia oppimateriaaleja. TIM on avoimen lähdekoodin ohjelmisto, jonka ylläpidosta vastaa Jyväskylän yliopiston Informaatioteknologian tiedekunta. Enemmän tarinaa TIMistä löytyy täältä. Tällä kurssilla olennaista on se, että tässä TIM-dokumentissa on erilaisia interaktiivisia tehtäviä. Lisäksi voit muokata jonkin verran dokumentin näkymää mieleiseksesi. Vasemman yläkulman kirjan kuvasta saat sisällysluettelon näkyviin.