Zbiór materiałów konferencyjnych ze spotkania w Kazimierzu Dolnym, które odbyło się w dniach 22-29.06.2013 r. Organizatorami tych międzynarodowych konferencji jest Instytut Fizyki Teoretycznej UW oraz Fundacja Pro Physica. Publikacja w języku angielskim
Juz dziś wiadomo, ze z chwilą udanej realizacji komputera kwantowego maszyna ta bedzie pozwalala na znajdowanie rozwiązan problemow obliczeniowych lezących poza zasiegiem komputerow klasycznych. Opracowano szereg algorytmow kwantowych, z ktorych najwiekszą slawą cieszy sie procedura Shora, pozwalająca efektywnie dokonywac tzw. faktoryzacji, tj. rozkladu bardzo duzych liczb naturalnych na czynniki pierwsze. Na trudności obliczeniowej faktoryzacji opiera sie bezpieczenstwo najpowszechniej dziś stosowanego szyfru z kluczem publicznym RSA, zatem udana realizacja komputera kwantowego uczynilaby stosowane dziś systemy szyfrujące przezroczystymi. Z kolei procedura Grovera w nieuporządkowanej bazie danych rozmiaru n znajduje rekord spelniający wybrane kryterium w czasie rzedu n^0.5, co oczywiście jest niewykonalne w modelu klasycznym. Model obliczenia kwantowego na trwale zadomowil sie na gruncie informatyki teoretycznej. Wyniki z zakresu kwantowych algorytmow rozstrzygających zagadnienia kombinatoryczne, kwantowych klas zlozoności obliczeniowej lub kwantowego kosztu komunikacyjnego obliczen są dziś regularnie publikowane w renomowanych periodykach i prezentowane na miedzynarodowych sympozjach poświeconych analizie algorytmow. Mimo niewątpliwie intensywnego rozwoju tego nowego obszaru wiedzy jego rezultaty wciąz pozostają dośc hermetyczne i nieczytelne dla szerszego ogolu odbiorcow. Jest to wynikiem silnie interdyscyplinarnego charakteru dziedziny, wymagającej od czytelnika znajomości szeregu pozornie niezwiązanych ze sobą faktow z zakresu informatyki (m.in. teorii algorytmow, modeli formalnych obliczen), matematyki (w tym algebry abstrakcyjnej i teorii liczb) oraz podstaw fizyki kwantowej. Niniejsze opracowanie stawia sobie za cel odczarowanie tej dziedziny, precyzyjnie selekcjonując material potrzebny do zrozumienia pojec obliczenia kwantowego, analizy kwantowych algorytmow oraz wprowadzając aparat formalny pozwalający na dalsze samodzielne studiowanie literatury. Dolozono tez wszelkich staran, aby uczynic te ksiązke spojną, zamknietą konstrukcją tematyczną, niewymagającą od czytelnika stykającego sie po raz pierwszy z informatyką kwantową poszukiwania pelniejszych wyjaśnien niezbednych pojec i wątkow pobocznych, ani tez przyjmowania na wiare wykorzystywanych faktow.
Tajemnica spinu elektronuWstęp Mechanika kwantowa, mechanika falowa, a obecnie elektrodynamika kwantowa (QED) coraz dokładniej opisują mikroświat.Mimo wspaniałego postępu teorii w naszym myśleniu nie rezygnujemy z poznania modeli i narzędzi, którymi posługuje się fizyka współczesna.Chcę ułatwić wędrówkę po drodze, jaką przeszli fizycy, opisując spin elektronu, i wskazać na te właściwości spinu, które nie mieszczą się w potocznym "zdrowym rozsądku".W mechanice kwantowej, zapoczątkowanej przez Plancka i Einsteina (1905) oraz Bohra (1913), energia jest ziarnista -może być przekazywana atomowi kwantami hf, gdzie h jest stałą Plancka, a f częstotliwością pola elektromagnetycznego. Takimi porcjami można wzbudzać atom Bohra, który znajduje się tylko w stanach dyskretnych, zwanych poziomami energetycznymi.Mechanikę falową zainicjował de Broglie (1923), który postulował, że każdy obiekt o masie m może ukazać się w postaci fali o długości λ = h/p, tym krótszej, im większy jest jego pęd p. Falowo-korpuskularną naturę elektronu zawiera mechanika falowa Schrödingera (1926), w której dyskretne stany stają się stanami prawdopodobnymi, opisanymi za pomocą operatora gęstości.Tak więc w mechanice falowej każdy stan jest superpozycją stanów występujących z określonym prawdopodobieństwem.Połówkowy spin elektronu spowodował burzliwy rozwój mechaniki falowej.Pojawiło się równanie Pauliego (1925) i relatywistyczne równanie Diraca (1928), a także powstała nowa dziedzina matematyki -algebra spinorów, opisująca przekształcenia obrotów odpowiadające cząstce o spinie S = 1/2.Ukoronowaniem dotychczasowych dokonań fizyki jest elektrodynamika kwantowa (QED), a jej modele najdokładniej opisują właściwości elektronu.Aby przybliżyć nam pojęcia mechaniki kwantowej, Arkadiusz Piekara w książce Nowe oblicze optyki za pomocą klocków ilustrował stany o dyskretnych wartościach energii.Pokazał tam, że leżące na stole pudełko zapałek ma trzy stany energii, przy czym każdy ze stanów jest dwukrotnie zdegenerowany.Idąc tropem tego znakomitego popularyzatora fizyki, można powiedzieć, że dwa poziomy energetyczne mają: elektron o spinie S = 1/2 w polu magnetycznym i stożek znajdujący się na płaskiej powierzchni stołu (ryc.1). Mystery of electron spinElectron being an elementary particle has a spin degree of freedom, which makes its properties mysterious.These strange properties reveal themselves after localization narrowing the wave packet.Correction of the spin magnetic moment leads to the complex electron picture.It is not a "naked" object, but "dressed" in photons and in the multibody effect caused by the vacuum fluctuation.
Streszczenie wystąpienia na Szkole Dydaktyki Fizyki w Kudowie, jesień 2007.Autorka przedstawia swoje stanowisko w kontrapunkcie do prezentacji Ludwika Lehmana, którego referat opublikowano w Fizyce w Szkole.Nauczanie elementów fizyki kwantowej w szkole i przedstawianie jej laikom w ogólności, jest sztuką karkołomną, stanowi nie lada wyzwanie, które zresztą wielu wybitnych ludzi i nauczycieli podejmuje, nota bene, z różnym skutkiem.W powszechnym kanonie wielu krajów europejskich model Bohra znajduje miejsce w programach szkolnych.U nas także znalazł się w podstawie programowej.Ten fakt spotyka się często z krytyką.Argumentuje się, że model ma znaczenie wyłącznie historyczne, że jest niespójny, że ma założenia zupełnie ad hoc, że ma bardzo ograniczone możliwości zastosowania i przewidywania.Jednym słowem, że jest modelem bardzo ubogim w konfrontacji ze współczesną mechaniką kwantową.Padają mocne argumenty, że należy uczyć prawdy, tak by niczego nie musieć później "odszczekiwać".Pan Krzysztof Prałat z II LO w Poznaniu w liście do Redakcji Fizyki w Szkole (2/2007, s. 63) słusznie zwraca uwagę na szereg błędów metodycznych popełnianych przy nauczaniu o modelu Bohra.Problemem nie do pokonania wydaje się być brak synchronizacji z nauczaniem chemii.Na lekcjach chemii, znacznie wcześniej niż na lekcjach fizyki, uczniowie dowiadują się o orbitalach i chmurach elektronowych.Wiedza ta, nie oparta na solidnej podstawie, wpada w szufladkę o nazwie "chemia" i pozostaje bez związku z fizyką.Oczywiście ograniczenia modelu Bohra jako takiego są znane.Inna sprawa, że te ograniczenia i krytyka modelu, tak jak i sam model wcześniej są przez uczniów przyjmowane na zasadzie informacji podanej przez autorytety, a nie poparte własną wiedzą i zrozumieniem.Uczniowie nie posiadają dostatecznej wiedzy, choćby z elektrodynamiki, aby sami mogli zauważyć te ograniczenia.Wprawdzie nie jest to argument istotny za modelem Bohra w szkole, ale warto go mieć na uwadze.Panu Ludwikowi Lehmanowi ostro atakującemu model Bohra w szkole (Dość bohrowania, Fizyka w Szkole, 3/2007, s. 17) trzeba przyznać rację, gdy zauważa on niepoprawne sformułowania przy nauczaniu modelu.Trzeba dobrze samemu rozumieć jaka jest istota modelu, co on przewiduje i jakie ma ograniczenia.Jeśli nie ma tego zrozumienia, to jest wrażenie, że model Bohra to kłamstwo, a dopiero mechanika kwantowa zapodaje prawdę.