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学習支援計画書(シラバス) 検索システム
専攻共通
対象課程 科目名 単位数 科目コード 開講時期 授業科目区分
博士前期課程(修士課程)
先端技術と科学A(後学期秋)
Advanced Technology and Science A
1 4725-01 2021年度
後学期
関係科目
担当教員名
授業科目の学習・教育目標
キーワード 学習・教育目標
1.量子力学 2.量子コンピューター 3.古典チューリングマシン 4.確率的チューリングマシン 5.量子チューリングマシン 先端技術と基礎科学の密接な関係を様々な実例を通して学ぶ。物理学、化学など基礎科学の 研究により、さまざまな現象、概念、原理、法則などが発見され、新技術、新機器が創出さ れてきた。先端技術と科学Aでは,現代の先端技術の主柱となる基礎理論である量子力学に 関して,不確定性原理などの根幹的内容を学び,これをもとに量子コンピュータの基本的事 項を修得し,これからの先端技術の展開について考察する。この考察によって,工学、環境 ・建築、情報、バイオ・化学分野で行動する技術者としての素養を身につける。
授業の概要および学習上の助言
1.導入として、量子コンピュータと現在のコンピュータの違いを概説する。 2.量子コンピュータの実現がこれからの先端技術、科学、社会について与える影響について討論する。 3.量子コンピュータの仕組みを理解するため、量子力学における不確定性原理、粒子・波動二重性について解説する。 4.量子力学の基本方程式であるシュレーディンガー方程式をについて解説し、これを用いた計算に関する演習を行う。 5.現在のコンピュータの計算機構のモデルとして古典チューリングマシンについて解説する。 6.確率的チューリングマシンについて解説する。 7.量子チューリングマシン、Qビットなどについて解説し、これを基に、量子コンピュータの計算機構について解説する。
教科書および参考書・リザーブドブック
教科書は使用しない。適宜、配付資料を用いる。 参考書:小出昭一郎「量子論」「量子力学Ⅰ、Ⅱ」昇華房     バークレー物理学コース「量子物理(上・下合冊:復刻版)」丸善     ウィリアムズ他「量子コンピューティング」シュプリンガーフェアラーク東京
履修に必要な予備知識や技能
力学、振動・波動の基本的な理解と知識、簡単な微分方程式の解き方に関する知識などは必要である。 量子力学やコンピュータの仕組みに関する知識は前提としない。 授業では基礎的な内容から説き起こして、量子計算機構・量子コンピュータの基本的な機能や現在のコンピュータの機能との 違いが理解できるように解説するため、どの分野を専攻している学生でも理解が可能である。ただし、学生は新規な内容に対 しても、知的好奇心を持って臨み、演習や討論を積極的に行い、解説を理解しようとする根気が必要である。
学生が達成すべき行動目標
No.
先端技術と基礎科学の関係を理解できるようになるために、量子コンピュータと現在のコンピュータの違いを考察する。
量子コンピュータの原理が理解できるようになるために、量子力学の不確定性原理や粒子・波動二重性を習得する。
量子コンピュータの原理が理解できるようになるために、シュレーディンガー方程式の計算法を身につける。
現在のコンピュータの計算機構が理解できるようになるために、古典、及び確率的チューリングマシンの働きを習得する。
量子コンピュータの計算機構が理解できるようになるために、量子チューリングマシンの働きを習得する。
毎回の授業に出席し課題討議に参加することにより、授業内容の理解に努め、レポートをやり遂げることができる。
達成度評価
評価方法 試験 クイズ
小テスト
レポート 成果発表
(口頭・実技)
作品 ポートフォリオ その他 合計
総合評価割合 0 0 80 0 0 0 20 100
評価の要点
評価方法 行動目標 評価の実施方法と注意点
試験
クイズ
小テスト
レポート 授業の進行に対応し、中心的内容について毎回レポートを課し、総合評価割合80%として評価する。 レポートの結果をもって学習内容の理解度を確認する。
成果発表
(口頭・実技)
作品
ポートフォリオ
その他 この項目の総合評価割合は20%である。学習態度を授業への積極的参加(受講態度など)、授業中の課 題討議への取り組み、授業中の質疑応答から評価する。
具体的な達成の目安
理想的な達成レベルの目安 標準的な達成レベルの目安
1.量子力学の根本原理が完全に理解できており、具体例をあ げて詳細に説明できる。 2.基本的な量子力学的計算を正確に行うことができて、計算 過程を詳細に説明できる。 3.古典チューリングマシンと確率的チューリングマシンの働 きについて、正確に理解しており、動作過程を詳細に説明でき る。 4.量子力学的原理をもとに量子チューリングマシンがどのよ うに働くか正確に理解できており、動作過程を詳細に説明でき る。 1.量子力学の根本原理が理解できており、具体例をあげて説 明できる。 2.基本的な量子力学的計算を行うことができて、計算過程の 概略を説明できる。 3.古典チューリングマシンと確率的チューリングマシンの働 きについて、理解しており、動作過程の概略を説明できる。 4.量子力学的原理をもとに量子チューリングマシンがどのよ うに働くか理解できており、動作過程の概略を説明できる。
授業明細
回数 学習内容 授業の運営方法 学習課題 予習・復習 時間:分
1回 第1回 「量子コンピュータとはどのようなものか」 量子コンピュータと現在のコンピュータの違いの概説 量子コンピュータの実現が先端技術,科学や社会に与 える影響についての討論。 学習内容を講義として概説し た後、課題討論を行う。 復習:授業中の討論の内容をまと める。(*1) 予習:配付資料や参考書をもとに 不確定性原理や粒子・波動二重性 について概略を調べておき,疑問 点があればノートに記載しておく 。(*2) (*1) 60分 (*2) 60分
2回 第2回 「量子力学の基礎1」 量子力学の根本原理(不確定性原理,粒子・波動二重 性,コペンハーゲン解釈,粒子のスピンなど) 講義を中心として、学習内容 について適宜、質疑応答、討 論、演習などを行う。 これまでの解説や討論、レポ ートの結果について振り返り 、確認する。 復習:不確定性原理,粒子・波動 二重性,コペンハーゲン解釈,粒 子のスピンの性質についてまとめ る。(*1) 予習:配付資料や参考書をもとに シュレーディンガー方程式に用い られている記号の意味を調べ,疑 問点があればノートに記載してお く。(*2) 前回のレポート内容などを振り返 り、内省を行う。(*3) (*1) 60分 (*2) 60分 (*3) 10分
3回 第3回 「量子力学の基礎2」 シュレーディンガー方程式の基本的解法 講義を中心として、学習内容 について適宜、質疑応答、討 論、演習などを行う。 これまでの解説や討論、レポ ートの結果について振り返り 、確認する。 復習:自由粒子に関するシュレー ディンガー方程式を解く。(*1) 予習:配付資料や参考書をもとに ディラックのブラケット記号につ いて調べ,疑問点があればノート に記載しておく。(*2) 前回のレポート内容などを振り返 り、内省を行う。(*3) (*1) 60分 (*2) 60分 (*3) 10分
4回 第4回 「量子力学の基礎3」 ディラックのブラケット記号を用いた量子力学の表現 ,重ね合わせの原理 講義を中心として、学習内容 について適宜、質疑応答、討 論、演習などを行う。 これまでの解説や討論、レポ ートの結果について振り返り 、確認する。 復習:ディラックのブラケット記 号を用いて,重ね合わせの原理を 導く。(*1) 予習:配付資料や参考書をもとに 古典チューリングマシン,確率的 チューリングマシンの働きを調べ ,疑問点があればノートに記載し ておく。(*2) 前回のレポート内容などを振り返 り、内省を行う。(*3) (*1) 60分 (*2) 60分 (*3) 10分
5回 第5回 「古典チューリングマシン」 古典チュ-リングマシンの原理と動作,確率的チュー リングマシンの原理と動作 講義を中心として、学習内容 について適宜、質疑応答、討 論、演習などを行う。 これまでの解説や討論、レポ ートの結果について振り返り 、確認する。 復習:古典チューリングマシン, 確率的チューリングマシンの働き をまとめる。(*1) 予習:配付資料や参考書をもとに Qビットについて調べ,疑問点が あればノートに記載しておく。(* 2) 前回のレポート内容などを振り返 り、内省を行う。(*3) (*1) 60分 (*2) 60分 (*3) 10分
6回 第6回 「量子チューリングマシン1」 量子チューリングマシンの原理とQビット 量子チューリングマシンの働きと量子コンピュータの 実現 講義を中心として、学習内容 について適宜、質疑応答、討 論、演習などを行う。 これまでの解説や討論、レポ ートの結果について振り返り 、確認する。 復習:量子チューリングマシンの 原理とQビットの性質についてま とめる。また、量子チューリング マシンの働きをまとめる(*1) 予習:全体の総括的討論について 備え、自己の考えをまとめておく 。(*2) 前回のレポート内容などを振り返 り、内省を行う。(*3) (*1) 60分 (*2) 60分 (*3) 10分
7回 第7回「全体の復習と総括的討論。これまでの振り返 り学習」 これまでの内容を振り返り、 総括的討論を行う。 また、これまでの解説や討論 、レポートの結果について振 り返り、確認する。 総括的に学守勢か全体につい て振り返り確認する。 総括的討論の結果をまとめる。ま た、これまでの討論やレポートの 結果について振り返り自己評価を 行う。(*1) (*1) 60分