Структура за темами

  • ВСТУП

    Метою курсу є надання студентам-магістрантам всебічного розуміння квантових матеріалів та технологій, що сприятиме їхній здатності орієнтуватися в складнощах 2-ї квантової революції. За допомогою лекцій, дискусій та практичних вправ студенти вивчатимуть фундаментальні принципи квантової механіки, досліджуватимуть унікальні властивості квантових матеріалів та заглиблюватимуться в нові сфери застосування квантових технологій. Наприкінці курсу студенти матимуть знання та навички, необхідні для участі в передових дослідженнях та інноваціях у сфері квантової науки та технологій, що швидко розвиваються.

    Предмет курсу охоплює широкий спектр тем, пов'язаних з квантовою наукою та технологіями. Студенти вивчатимуть фундаментальні концепції квантової механіки, включаючи такі квантові явища, як надпровідність, топологічні ізолятори та квантовий магнетизм. Вони також вивчатимуть практичне застосування квантових матеріалів у таких галузях, як квантові комп'ютери та квантові обчислення, сенсори та метрологія, комунікація та енергетика. Центральною темою курсу є вивчення квантового транспорту в надпровідниках та приладів на його основі - від надпровідного квантового інтерферометра (SQUID) до надпровідних квантових комп'ютерів. Крім того, студенти вивчатимуть поточні квантові проекти та ініціативи як в Європі, так і в усьому світі, а також нові тенденції та майбутні напрямки в цій галузі. Загалом, курс забезпечує міждисциплінарний підхід до розуміння та використання потенціалу квантових матеріалів і технологій для наукового прогресу та технологічних інновацій. 

    Наразі курс розглядається як факультативний та розрахований як на студентів так і співробітників Центру квантових матеріалів та квантових технологій КАУ.

    Силабус курсу

  • Тема 1. Квантові основи (2 лекції)

    • Від квантової механіки до 2-ї квантової революції.
    • Концепції нелокальностi, заплутаності та квантових кореляцій.
    • Квантова контекстуальність.
    • Квантовий ефект Зенона та квантова теорія вимірювань.

    Викладено основні принципи квантової механіки та їхні наслідки для сучасних квантових технологій. Тема охоплює такі ключові поняття, як квантова нелокальність, яка кидає виклик нашому класичному розумінню простору і відстані, і квантова контекстуальність, яка досліджує, як вимірювання залежать від контексту, в якому вони проводяться. Крім того, лекція знайомить з квантовою теорією вимірювань, яка допомагає нам зрозуміти, як квантові системи поводяться під час вимірювання. Ці базові ідеї є важливими для розуміння найсучасніших розробок у галузі квантових матеріалів та технологій.

  • Тема 2. Поява квантових матеріалів (2 лекції)

    • Квантові явища в конденсованих середовищах.
    • Емерджентні явища.
    • Методи отримання квантових матеріалів.
    • Методи характеризації квантових матеріалів.
    • Застосування квантових матеріалів в електроніці.
    Ці лекції заглиблюються в унікальну поведінку, яку демонструють квантові матеріали в конденсованих системах. Серед охоплених тем - поведінка електронів у квантових матеріалах та емерджентні явища (поява нових квантових станів), такі як надпровідність і квантовий магнетизм. Розглянуто різні методи, що використовуються для виготовлення квантових матеріалів, включаючи осадження тонких плівок, молекулярно-променеву епітаксію та методи вирощування кристалів. Крім того, слухачі дізнаються про методи характеризації, такі як рентгенівська дифракція, сканувальна тунельна мікроскопія та спектроскопічні методи, що використовуються для вивчення властивостей квантових матеріалів. Лекція також підкреслює важливість цих методів для розуміння фундаментальних властивостей квантових матеріалів та їх потенційних застосувань в електроніці, фотоніці та квантових обчисленнях.

  • Тема 3. Приклади квантових матеріалів

    • Надпровідники та надплинні рідини (2 лекції): Знайомство із захоплюючими явищами надпровідності та надплинності, що спостерігаються у квантових матеріалах. Розглядаються унікальні властивості надпровідників та особливості їх електронної структури: слабка надпровідність та ефекти Джозефсона, типи та властивості джозефсонівських контактів, елементи надпровідної електроніки, надпровідні кубіти та надпровідні квантові комп'ютери, електронна структура, топологія поверхні Фермі та особливості параметру порядку новітніх надпровідників, низьковимірні електронні системи, топологічна надпровідність.
    • Топологічні ізолятори та напівметали (2 лекції):  Квантовий ефект Холла, який дає уявлення про поведінку електронів у двовимірних матеріалах під дією сильних магнітних полів, закладаючи основу для розуміння топологічних ізоляторів і напівметалів. Топологічні ізолятори і напівметали та їхні екзотичні електронні властивості. У лекції обговорюються їхні унікальні зонні структури, поверхневі стани та потенційні застосування у спінтроніці та квантових обчисленнях.
    • Квантовий магнетизм і спінтроніка (1 лекція): Ця лекція зосереджена на квантовому магнетизмі та спінтроніці, висвітлюючи роль спіну електрона в магнітних матеріалах та маніпуляції з ним для технологічних застосувань. Охоплені теми включають електронні пристрої на основі спіну, магнітні тунельні переходи та нову галузь спінтроніки, яка має на меті використати спіновий ступінь свободи для обробки та зберігання інформації.

  • Тема 4. Огляд та приклади квантових технологій (3 лекції)

    • Квантові комп'ютери: від надпровідного квантового інтерферометра (SQUID) до надпровідних квантових комп'ютерів. Огляд різних типів надпровідних кубітів, які використовуються в квантових комп'ютерах. Проблема декогеренції та методи її вирішення. Кубіти на майоранівських ферміонах. Інші типи квантових комп’ютерів.
    • Основи квантових обчислень: Вступ до принципів квантових обчислень, кубітів, квантових вентилів та квантових алгоритмів. Огляд квантових апаратних платформ та квантових методів корекції помилок.
    • Квантові сенсори та метрологія: Вивчення принципів квантового зондування та їх застосування у прецизійних вимірюваннях, навігації та візуалізації. Обговорення методів квантової метрології, що використовують квантові явища для підвищення чутливості та точності.
    • Квантовий зв'язок та криптографія: Вивчення протоколів квантового зв'язку, таких як квантовий розподіл ключів (QKD) і квантова телепортація. Огляд принципів квантової криптографії та їх ролі в захищених мережах зв'язку. Квантова фотоніка та оптоелектроніка: Вступ до квантових фотонних пристроїв та їх застосування у квантовій обробці інформації, квантовому зв'язку та квантовому зондуванні. Обговорення нових квантових оптоелектронних технологій та їх впливу на майбутні парадигми обробки інформації. Квантові технології в енергетиці: Дослідження квантових технологій для збору, зберігання та перетворення енергії. Обговорення квантово-розширених сонячних.

  • Тема 5. Квантові проекти в Європі та світі (1 лекція)

    • Дослідження поточних квантових проектів та ініціатив у Європі та світі, висвітлення спільних зусиль між дослідницькими установами, академічними колами, промисловістю та урядовими організаціями.
    • Обговорення основних програм квантових досліджень, флагманських ініціатив та міжнародної співпраці, спрямованих на розвиток квантової науки і технологій. Тематичні дослідження видатних квантових проектів, їх цілей, досягнень та потенційного впливу на майбутній технологічний прогрес.
    • Аналіз можливостей фінансування, політичних рамок та стратегічних пріоритетів, що формують глобальний ландшафт квантових досліджень та інновацій.

  • Тема 6. Новітні тенденції та майбутні напрямки у квантових технологіях (1 лекція)

    • Вивчення переднього краю квантових досліджень і розробок з акцентом на нові тенденції та майбутні напрямки. Обговорення останніх проривів та інновацій, які формують ландшафт квантової науки та інженерії.
    • Аналіз потенційного впливу квантових технологій на різні галузі та сектори, включаючи обчислювальну техніку, комунікації, сенсорику та матеріалознавство.
    • Вивчення викликів і можливостей у масштабуванні квантових систем і додатків для реального використання. Прогнозування майбутніх тенденцій та окреслення стратегій для того, щоб залишатися на передовій квантових досліджень та інновацій.

  • Тема 7. Заключна оглядова лекція (1 лекція)

    • Заключна лекція слугує всеосяжним підсумком та оглядом всього курсу "Квантові матеріали та квантові технології". На цьому заключному занятті учасники розглянуть ключові концепції, ідеї та методології, що розглядалися протягом курсу. Ми поміркуємо над фундаментальними принципами квантових матеріалів, дослідимо різноманітні застосування квантових технологій та обговоримо наслідки квантових досліджень для різних галузей. Крім того, ми висвітлимо нові тенденції, майбутні напрямки та потенційні виклики у швидкозмінному ландшафті квантової науки і технологій. Ця заключна лекція має на меті закріпити результати навчання, надихнути на подальші дослідження та стимулювати дискусії на передовій квантових досліджень та інновацій.

  • Додаткові теми (для самостійної роботи)

    • Cлабка надпровідність (ефекти Джозефсона) 
    • Типи та властивості джозефсонівських контактів 
    • Елементи надпровідної електроніки 
    • Технології отримання плівок та елементів електроніки 
    • Надпровідні кубіти 
    • Електронна структура, топологія поверхні Фермі та особливості параметру порядку новітніх надпровідників 
    • Низьковимірні електронні системи 
    • Топологічні ізолятори та майоранівські ферміони