ELEC-C3220 - Kvantti-ilmiöt, Luento-opetus, 28.2.2022-2.6.2022

Topic outline

• Kurssijärjestelyt
  Tervetuloa opiskelemaan modernia fysiikkaa!

  
  

  Kurssin henkilökunta

  Kurssin vastuuopettaja on Matti Raasakka. Kurssiassistentteina toimivat Juho Karhu, Lassi Lahtiluoma, Netta Ollikka ja Kim Valén.

  Yhteydenotot kurssihenkilökuntaan pääasiallisesti MyCourses-sivun keskustelualueen (alla) tai Telegram-ryhmän kautta. Henkilökohtaisemmissa asioissa voit lähettää sähköpostia kurssin opettajalle.

  
  

  Kurssin viikkoaikataulu

  Kurssilla on viikoittain

  • muutama opetusvideo, linkit Aikataulu ja materiaalit-välilehdellä
  • yksi luento, torstaisin klo 13:00-14:00 salissa AS2 (periodi 4) tai TU2 (periodi 5), Maarintie 8
    
  • neljä laskuharjoitusryhmää:
    - ma klo 12-14 salissa U3/U141 (Otakaari 1)
    - ti klo 14-16 salissa U119 (Otakaari 1)
    - to klo 16-18 salissa U6/U149 (Otakaari 1)
    - pe klo 12-14 salissa U356 (Otakaari 1)

  
  

  Luennot järjestetään kampuksella, mutta liittyminen Zoomin kautta etänä on myös mahdollista. Laskuharjoitusryhmiin osallistumiselle ei ole mitään rajoituksia, vaan voit osallistua niin moneen kuin haluat. Maanantain ja perjantain laskareihin voi liittyä myös Zoomin kautta, linkki Zoom- ja Telegram-linkit-välilehdellä.

  Seuraavan viikon luentokalvot ja laskuharjoitustehtävät ilmestyvät perjantaisin. Edellisviikon laskuharjoitustehtävien malliratkaisut ilmestyvät MyCoursesiin maanantaisin.

  Laskuharjoitustehtävien ratkaisut on palautettava perjantaisin klo 20:00 mennessä.

  
  

  Oppimateriaali

  Kurssikirja: Randy Harris, Modern Physics (2nd edition), Pearson. Kvanttilaskentaosuudessa käytetään myös kirjaa Nielsen, Chuang, Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press.

  Muutkin kvanttimekaniikan perusteokset voivat olla hyödyksi, mutta näiden kirjojen ja luentokalvojen avulla pitäisi pärjätä. Luentokalvot eivät yksistään riitä aiheen syvälliseen opiskeluun, joten kurssikirja kannattaa hankkia. Luentokalvot ja laskuharjoitustehtävien malliratkaisut julkaistaan viikoittain.

  
  

  Kurssin arviointi

  Kurssi suoritetaan laskuharjoituksin (10 kpl) ja välikokein (2 kpl). Kurssin arvosana perustuu seuraaviin suorituksiin:

  • laskuharjoituspisteet: max. 2p/tehtävä, 4 tehtävää/laskari, 10 laskuharjoitusta => yhteensä max. 80p
  • välikoepisteet: max. 18p/välikoe, 2 välikoetta => yhteensä max. 36p

  
  

  Lisäksi kummastakin välikokeesta täytyy saada vähintään 4p. Välikoeuusinnassa voi uusia yhden välikokeen. Kurssipalautteen antamisesta kurssin päätteeksi saa 2 lisäpistettä.

  Kurssipisteitä voi saada yhteensä max. 116p. Kurssin arvosana määräytyy pisteiden perusteella seuraavan taulukon mukaisesti:

  pisteraja	58p (50%)	70p (60%)	82p (70%)	93p (80%)	105 (90%)
  arvosana	1	2	3	4	5

  
  

  Voit seurata pistekertymääsi MyCoursesin kautta. Jos huomaat pisteiden laskussa virheitä, niin ota välittömästi yhteyttä kurssin opettajaan. Aiemmilta kurssin toteuttamiskerroilta olevia suorituksia tai pisteitä ei huomioida arvioinnissa.

  
  

  Välikokeet ja uusinta

  Kurssilla on kaksi välikoetta.

  • Välikoe 1 järjestetään ma 11.4. klo 14:30-17:30 salissa TU2 (Maarintie 8)
    
  • Välikoe 2 järjestetään ke 25.5. klo 13:00-16:00 salissa TU2 (Maarintie 8)
  • Välikoeuusinta järjestetään to 2.6. klo 9:00-12:00 salissa AS2 (Maarintie 8)

  Välikokeissa on molemmissa kolme pakollista tehtävää. Välikokeen hyväksyttyyn suoritukseen täytyy kokeesta saada vähintään 4 pistettä. Välikoeuusinnassa voi uusia yhden välikokeen.

  Välikokeisiin ei tarvitse erikseen ilmoittautua --- riittää, että olet ilmoittautunut kurssille.

  
  

  Poissaolot ja korvaamiset

  Periaate: poissaolot työn, levon tai matkailun vuoksi ovat omalla vastuullasi. Kurssin suuren koon vuoksi esim. välikokeita ei pystytä siirtämään. Erityisjärjestelyistä voidaan neuvotella, jos sinulla on sairauslomatodistus tai OOP:in myöntämä todistus tai jos kyseessä on kertausharjoitus. Ota yhteyttä mahdollisimman pian, jos tarvitset erityisjärjestelyjä kurssilla!

  • 

    Uutiset ja ilmoitukset Forum
  • 

    Kysymyksiä ja vastauksia kurssijärjestelyistä Forum

• Aikataulu ja materiaalit
  Suositeltavia oppikirjoja (suluissa viittauslyhenne):

  • (H) Harris, Modern physics (2nd edition), Pearson. KURSSIKIRJA
  • (NC) Nielsen, Chuang, Quantum computation and quantum information (10th anniversary edition), Cambridge University Press.
  • (Z) Zettili, Quantum mechanics, concepts and applications (2nd edition), Wiley.
  • (L) Liboff, Introductory quantum mechanics, Addison-Wesley.

  Kirjojen kappaleet merkitty materiaaleihin tyyliin XY, missä X on kirjan lyhenne ja Y kirjan kappaleet.

  
  

  Viikko	Aiheet ja videolinkit	Materiaalit
  1 28.2.-4.3.	1.1 Kurssijärjestelyt (13:25) 1.2 Motivointia, mustan kappaleen säteily (30:48) 1.3 Valosähköinen ilmiö, röntgenputki (14:53)	kalvot, H1.1-2.3, Z1.1-1.2
  	2.1 Atomispektrit, de Broglien relaatiot, Bohrin atomimalli (27:33) 2.2 Schrödingerin aaltomekaniikka, Heisenbergin matriisimekaniikka (11:14) 2.3 Kaksoisrakokoe, elektronimikroskopia (16:33)	kalvot, H2.6-3.2, Z1.3-1.6
  	torstain luento klo 13:00-14:00 sali AS2 (Maarintie 8)	kalvot
  2 7.-11.3.	3.1 Kompleksivektorit, Hilbertin avaruus (24:00) 3.2 Vektoriavaruuden kannat (24:11) 3.3 Vektorien tensori- ja ulkotulo (11:49) 3.4 Matriisit ja lineaarioperaattorit, ominaisarvot ja -vektorit (22:42) 3.5 Hermiittiset ja unitaariset operaattorit, operaattoreiden tensoritulo (17:35)	kalvot Z2.1-2.6 H3.7
  	4.1 Kvanttisysteemin tilat, todennäköisyystulkinta (18:01) 4.2 Havaintosuureet (31:45) 4.3 Mittaustapahtuma, fotonin polarisaatio, eroja klassiseen fysiikkaan (29:10)	kalvot Z3.1-3.5 H5.8
  	torstain luento klo 13:00-14:00 sali AS2 (Maarintie 8)	kalvot
  3 14.-18.3.	5.1 Suljetun kvanttisysteemin aikakehitys, Schrödingerin yhtälö (18:57) 5.2 Kubitin ja pistehiukkasen aikakehitys, Ehrenfestin teoreema (36:15) 5.3 Dekoherenssi, kvanttimekaniikan tulkinnat (24:06)	kalvot H3.3 Z3.6,Z3.8
  	6.1 Liikemäärän ominaistilat, epätarkkuusperiaate (25:37) 6.2 Vapaa hiukkanen yhdessä ja kolmessa ulottuvuudessa (25:00) 6.3 Kaksoisrakokoe kvantitatiivisesti (19:05)	kalvot H3.4-3.5 Z4.1-4.3
  	torstain luento klo 13:00-14:00 sali AS2 (Maarintie 8)	kalvot
  4 21.-25.3.	7.1 Yhden kubitin tilat ja operaatiot (25:29) 7.2 Kahden kubitin tilat ja operaatiot (23:46) 7.3 Bellin teoreema (22:21) 7.4 N:n kubitin tilat, alustusta kvanttilaskentaan (16:14)	kalvot NC1.1-1.4, 2.6
  	8.1 Kvanttipiirit, kvanttiteleportaatio (24:47) 8.2 Laskennallinen kompleksisuus (12:38) 8.3 Kvanttiparallelismi, Deutsch-Jozsan algoritmi (37:42)	kalvot NC3.1-3.3, 4.1-4.6
  	torstain luento klo 13:00-14:00 sali AS2 (Maarintie 8)	kalvot
  5 28.3.-1.4.	9.1 Kvanttihiukkanen laatikossa (33:22) 9.2 Äärellinen potentiaalikaivo (25:14) 9.3 Kvanttikaivojen sovelluksia (10:56)	kalvot H5.5-5.6 Z4.6-4.7
  	10.1 Potentiaaliaskelma (18:02) 10.2 Potentiaalivalli ja tunneloituminen (13:13) 10.3 Tunneloituminen käytännössä (11:14)	kalvot H6.1-6.3 Z4.4-4.5 MATLAB-koodi
  	torstain luento klo 13:00-14:00 sali AS2 (Maarintie 8)	kalvot Jupyter notebook
  6 4.-8.4.	11.1 Harmoninen värähtelijä (42:25) 11.2 Kenttien kvantisointi (20:29) 11.3 Valon kvanttimekaaninen kuvaus (21:22) 11.4 Kvanttivalo käytännössä (16:18)	kalvot H5.7 Z4.8
  	Kertausvideot 1. välikokeeseen: 12.1 Välikokeen aihealue, hiukkasen paikka ja liikemäärä (20:18) 12.2 Kvanttitilojen aikakehitys (13:59) 12.3 Hiukkanen paloittain vakioisessa potentiaalissa (15:36) 12.4 Kubitit ja kvanttipiirit (11:00)	kalvot vanhat kokeet: 1, 2 ratkaisut: 1, 2
  	torstain luento klo 13:00-14:00 sali AS2 (Maarintie 8)	kalvot
  11.4.	VÄLIKOE 1 klo 14:30-17:30 sali TU2 (Maarintie 8)	malliratkaisut
  7 18.-22.4.	13.1 Michelson-Morleyn koe, suhteellisuusteorian postulaatit (15:57) 13.2 Aikadilataatio, Frisch-Smithin koe (16:45) 13.3 Pituuskontraktio, yhtäaikaisuuden suhteellisuus (17:55) 13.4 Lorentzin koordinaatistomuunnokset (13:43) 13.5 Ominaisaika, aika-avaruuden kausaalirakenne (17:38)	kalvot H4.1-4.4
  	14.1 Valon Doppler-efekti, nopeuksien relativistinen yhteenlasku (29:39) 14.2 Relativistinen energia ja liikemäärä, Comptonin sironta (40:36) 14.3 Yleinen suhteellisuusteoria (20:32)	kalvot H4.5-4.10
  	torstain luento klo 13:00-14:00 sali TU2 (Maarintie 8)	kalvot
  25.-29.4.	Vappuviikko, ei opetusta
  8 2.-6.5.	15.1 Kulmaliikemääräoperaattorit ja -ominaistilat (47:34) 15.2 Vapaa hiukkanen pallokoordinaateissa (15:04) 15.3 Kulmaliikemäärän yhteenlasku (13:32)	kalvot H7.1, 7.4-5 Z5.1-3, 5.7 Z6.3.2, 7.3.1-2
  	16.1 Vetyatomin elektronin kvanttitilat (41:08) 16.2 Vetyatomin elektronin energiatilojen väliset siirtymät (21:48)	kalvot H7.3, 7.6-10 Z6.3.5
  	torstain luento klo 13:00-14:00 sali TU2 (Maarintie 8)	kalvot
  9 9.-13.5.	17.1 Stern-Gerlachin koe (15:38) 17.2 Spin, elektroni magneettikentässä (34:44) 17.3 Aaltofunktion vaihtosymmetria, Paulin kieltosääntö (20:29)	kalvot H8.1-3 Z5.6, Z8.1-3
  	18.1 Spin-rata-vuorovaikutus (14:52) 18.2 Helium-atomi (24:08) 18.3 Raskaammat atomit (36:02)	kalvot H8.4-9 Z8.4
  	torstain luento klo 13:00-14:00 sali TU2 (Maarintie 8)	kalvot
  10 16.-20.5.	19.1 Atomiydinten perusrakenne (21:05) 19.2 Atomiydinten sisäiset voimat, sidosenergia (18:51) 19.3 Radioaktiivisuus (26:55) 19.4 Aiheutetut ydinreaktiot (18:27)	kalvot H12.1-7
  	Kertausvideot 2. välikokeeseen: 20.1 Välikokeen aihealue, suhteellisuusteoriaa (25:27) 20.2 Harmoninen värähtelijä, kulmaliikemäärä, Paulin kieltosääntö (21:25) 20.3 Vetyatomi, raskaammat atomit (19:58) 20.4 Ydinfysiikkaa (12:14)	kalvot vanhat kokeet: 1, 2 ratkaisut: 1, 2
  	torstain luento klo 13:00-14:00 sali TU2 (Maarintie 8)	kalvot
  25.5.	VÄLIKOE 2 klo 13:00-16:00 sali TU2 (Maarintie 8)	malliratkaisut
  2.6.	VÄLIKOEUUSINTA klo 9:00-12:00 sali AS2 (Maarintie 8)	malliratkaisut

  
  
  

• Zoom- ja Telegram-linkit

  Not available

• Laskuharjoitustehtävät
  Seuraavan viikon laskuharjoitukset ilmestyvät tälle sivulle perjantaisin. Laskuharjoitustehtävien palautusaika umpeutuu perjantaisin klo 20:00. Myöhässä palautettuja tehtäviä ei lähtökohtaisesti arvostella.
  

  Jokainen laskuharjoitus sisältää yhden automaattitarkastettavan STACK-tehtävän. Automaattitarkastettavat tehtävät tehdään tällä MyCourses-sivulla palautusaikaan mennessä.
  

  Muut kuin automaattitarkastettavat laskuharjoitustehtävät tulee palauttaa pdf-tiedostona alla olevaan MyCourses-tehtävänantoon. Voit kirjoittaa laskut paperille, ja skannata ne pdf-tiedostoksi, tai kirjoittaa laskut suoraan pdf:nä esimerkiksi LaTeXilla.
  

• Välikokeet ja uusinnat

  Not available

• Tulokset

  Not available

• Rästitentit

  Not available