情報科学部Faculty of Computer and Information Sciences
PHY249KA-GMP-301（物理学 / Physics 200）現代物理入門Introduction to Modern Physics
石田 邦夫Kunio ISHIDA
授業コードなどClass code etc
| 学部・研究科Faculty/Graduate school | 情報科学部Faculty of Computer and Information Sciences |
| 添付ファイル名Attached documents | |
| 年度Year | 2022 |
| 授業コードClass code | J0029 |
| 旧授業コードPrevious Class code | |
| 旧科目名Previous Class title | |
| 開講時期Term | 秋学期授業/Fall |
| 曜日・時限Day/Period | 木2/Thu.2 |
| 科目種別Class Type | |
| キャンパスCampus | 小金井 / Koganei |
| 教室名称Classroom name | 各学部・研究科等の時間割等で確認 |
| 配当年次Grade | |
| 単位数Credit(s) | 2 |
| 備考（履修条件等）Notes | |
| 他学部公開科目Open Program | |
| 他学部公開（履修条件等）Open Program (Notes) | |
| グローバル・オープン科目Global Open Program | |
| 成績優秀者の他学部科目履修制度対象Interdepartmental class taking system for Academic Achievers | |
| 成績優秀者の他学部科目履修（履修条件等）Interdepartmental class taking system for Academic Achievers (Notes) | |
| 実務経験のある教員による授業科目Class taught by instructors with practical experience | |
| SDGsCPSDGs CP | |
| アーバンデザインCPUrban Design CP | |
| ダイバーシティCPDiversity CP | |
| 未来教室CPLearning for the Future CP | |
| カーボンニュートラルCPCarbon Neutral CP | |
| 千代田コンソ単位互換提供（他大学向け）Chiyoda Campus Consortium | |
| 選択・必修Optional/Compulsory | |
| カテゴリー（2022年度以降入学者）Category (2022~) | |
| カテゴリー（2021年度以前入学者）Category (~2021) | |
| カテゴリーCategory |
専門教育科目 科学基礎科目 |
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Outline (in English)
The aim of this course is to help students acquire quantum mechanics and the theory of relativity which have been essential to the current
advance of technology. This course also introduces the basic notions of quantum information technology.
In the first half of the classes, students will learn the concept of
"state" and build quantum mechanics. In the latter half of the classes, starting with the principle of constant speed of light, students deepen their understanding of the theory of relativity of space-time.
Useful assignments for preparation and review are given every time to help the understanding of students. Students will be expected to work more than four hours for a class. Distributing and submitting materials will be done through the "learning support system". In addition, we will provide appropriate explanations and feedback from the assignments and exam questions according to the degree of understanding and importance.
Grading will be decided based on the Term-end examination (50%), and the grades for assignments of preparation and review, reports, quizzes, and in-class contribution (50%).
授業で使用する言語Default language used in class
日本語 / Japanese
授業の概要と目的（何を学ぶか）Outline and objectives
20世紀初頭に誕生した量子力学・相対性理論は，100年以上を経た現在，科学技術の進歩に欠かせないものとなった。さらに近年は量子情報処理技術の実用化に向けた研究が進んでおり，将来の技術開発に新たな影響を与えつつある。この講義では微積分学と線型代数の基本的な知識を元に，量子力学と相対性理論の基礎について学ぶと共に，半導体工学やGPS技術への応用例を通じてわれわれの生活にとって身近な技術であることを理解する。特に，量子情報理論の基礎として初歩的な量子アルゴリズムについても触れ，従来型コンピュータ向けのアルゴリズムとの違いを学ぶ。
到達目標Goal
古典的な世界像とは大きく異なる量子論・相対性理論に基づく世界の捉え方と、その応用の一端を理解することを目標とする。講義前半では、まず「状態」の概念から出発して量子力学を組み立てていく。次に井戸型ポテンシャルと調和振動子の問題を例に、量子力学は古典力学と似た面を持ちつつ、エネルギーの量子化など大きく異なる性質が現れることを学ぶ。さらに量子情報処理の基礎知識を得たのち、基本的な量子アルゴリズムについての動作原理を理解する。講義後半では、光速一定の原理からローレンツ変換を導き、時刻の相対性や質量とエネルギーの等価性について理解する。
この授業を履修することで学部等のディプロマポリシーに示されたどの能力を習得することができるか（該当授業科目と学位授与方針に明示された学習成果との関連）Which item of the diploma policy will be obtained by taking this class?
ディプロマポリシーのうち「DP1」と「DP4-2」に関連
授業で使用する言語Default language used in class
日本語 / Japanese
授業の進め方と方法Method(s)（学期の途中で変更になる場合には、別途提示します。 /If the Method(s) is changed, we will announce the details of any changes. ）
毎回の授業で予習課題と復習課題を課す。
アクティブラーニング（グループディスカッション、ディベート等）の実施Active learning in class (Group discussion, Debate.etc.)
なし / No
フィールドワーク（学外での実習等）の実施Fieldwork in class
なし / No
授業計画Schedule
授業形態/methods of teaching：対面/face to face
※各回の授業形態は予定です。教員の指示に従ってください。
No. 1[対面/face to face]：古典物理学から量子物理学へ
・光および電子の二重スリット干渉実験
No. 2[対面/face to face]：bra-ketによる表記と基礎方程式
・状態、物理量、測定値の扱い
・braとketによる表記法
No. 3[対面/face to face]：波動関数とシュレーディンガー方程式
・シュレーディンガー方程式
・波動関数
・自由粒子の運動
No. 4[対面/face to face]：測定値の解釈／井戸型ポテンシャルの問題１
・ボルンの確率解釈
・古典力学による解法
No. 5[対面/face to face]：1次元井戸型ポテンシャル２
・量子力学による解法
・エネルギーの量子化
No. 6[対面/face to face]：1次元調和振動子と生成・消滅演算子
・生成消滅演算子
No. 7[対面/face to face]：演習
・講義前半の量子論の範囲から出題する
No. 8[対面/face to face]：量子情報処理の基礎
・量子ビット
・量子ゲート
No. 9[対面/face to face]：Deutsch-Jozsaのアルゴリズム１
・1ビットデータの場合
No. 10[対面/face to face]：Deutsch-Joszaのアルゴリズム２／Groverのアルゴリズム
・多ビットデータの場合
・量子探索アルゴリズム
No. 11[対面/face to face]：量子もつれと量子テレポーテーション
・量子相関と古典相関
No. 12[対面/face to face]：特殊相対性理論：古典電磁気学の限界
・ニュートン力学との比較
No. 13[対面/face to face]：特殊相対性理論：光速度一定の原理とローレンツ変換
・質量とエネルギーの等価性
・GPSにおける相対論効果
No. 14[対面/face to face]：全体のまとめ
・量子論のまとめ
・相対論のまとめ
・将来の展望
授業時間外の学習（準備学習・復習・宿題等）Work to be done outside of class (preparation, etc.)
毎回，予習プリントと復習プリントを配布する。予習プリントを用いて次回学ぶ範囲に出てくる主要な術語の意味や定義を調べておくこと。また，復習プリントを用いて講義で説明した内容の演習課題を解くこと。自分の手を動かしてはじめて理解できるものである。この目的に予習プリントと復習プリントを活用してほしい。本授業の準備・復習時間は、計4時間を標準とする。
テキスト（教科書）Textbooks
教科書は特に用いないが，基本的な内容は下記参考文献に系統的に解説されているので参考にしてほしい。
参考書References
・量子力学I 小出昭一郎 著 培風館
・高校数学でわかる相対性理論(ブルーバックス), 竹内淳 著, 講談社
その他の参考書については，講義中に適宜紹介する。
成績評価の方法と基準Grading criteria
予習復習課題レポート(20%)，期末試験(80%)の総合点で評価します。
学生の意見等からの気づきChanges following student comments
本年度新規科目につきアンケートを実施していません。
その他の重要事項Others
必要な古典物理の概念は講義時に補足するが，ニュートン力学におけるエネルギーや運動量のような概念は知っておくこと。