Элементарные основы теории вероятностей
и обработки данных, статистические принципы термодинамики, кубиты и квантовые гейты
2024:
Лекции и Консультации - очно по хххх п в хх:хх, аудитория ххх ГК.
Семинары - очно по субботам в хх:хх, аудитория ххх ГК.
Информация о дисциплине QuProb
Аттестация проводится по итогам регулярных очных тестов во время лекций по материалам прошедших лекций.
Первая часть: теорвер
План изложения: сначала рассматривается конечная выборка случайного события и устанавливаются свойства распределения вероятностей повторения этого события в выборке - биномиальное распределение. Для конечной выборки вводятся понятие среднего, а также линейного и квадратичного отклонения от среднего, что позволяет определить не только дисперсию, но и многоточечные корреляторы случайной величины. Затем в случае фиксированного среднего значения числа повторений случайного события в выборке выводится распределение Пуассона для дискретной величины. Эта случайная дискретная величина меняется от нуля до бесконечности и равна числу повторений события в выборке при числе событий, стремящемуся к бесконечности. При этом замкнутость изложения требует введения числа e как <<золотого предела>>, экспоненты, натурального логарифма и ряда Тейлора как предела в схеме итераций для вычисления приближенного значения функции с помощью формулы Ньютона--Лейбница для интеграла от производной функции.
Наконец, путем линейного преобразования числа событий в выборке в случайную величину с нулевым средним и единичной дисперсией выводится нормальное распределение. Для этого приходится найти выражение для факториала в пределе бесконечно растущего числа - формулу Стирлинга, что требует детального описания вычисления асимптотики интеграла методом сведения его к гауссову возле экстремума подынтегральной функции --- методом перевала. Эти упражнения вполне поучительны для первокурсников, как полагает автор.
В итоге, становится понятным и естественным использование элементарных терминов теории вероятностей, таких, как распределение случайной величины по Гауссу, среднее, дисперсия, и т.п. при введении в курс обработки данных лабораторных работ.
Вторая часть: термодинамика
В качестве приложения теории вероятностей в физике сразу после введения основных понятий и инструментов рассмотрены вероятностные азы термодинамики, как то распределение Гиббса, статсумма, энтропия и уравнение состояния идеального газа, а также распределение Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна.
Третья часть: кубиты и квантовые гейты
Излагаются элементарные основы и принципы действия квантовый битов, для чего необходимы знания о вероятности в первой части спецкурса. Кубиты описываются в рамках аллегории аккордов двух звуков на рояле. Дается обоснование сферы Блоха как наглядного представления для математического описания кубита в виде точек на сфере. Проводится строгое разграничение собственных и несобственных состояний кубитов. Формализм теории вероятностей используется в случае кубитов для вывода соотношений неопределенностей в терминах средних и дисперсий. Вводится эволюция кубитов унитарными преобразованиями - гейты.
Обсуждается квантовое превосходство на примере квантового протокола передачи информации. Вводятся зацепленные состояния. Рассмотрены квантовые мифы об измерении и коллапсе квантовых состояний.
Подробно рассмотрен квантовый алгоритм Гровера вскрытия сейфа. Введены элементы схем квантовых вычислений.
Введена матрица плотности для чистых и зацепленных состояний.
Видео-часть: обработка данных
Видео-часть включает в себя 10 видео-лекций по 25 минут, составленных П.В.Поповым в качестве пособия по методике представления и обработки экспериментальных данных студентами на занятиях лабораторного практикума МФТИ по опыту многолетней работы кафедры общей физики. Видео-лекции просматриваются студентами самостоятельно. Часть разбита на 3 периода:
первая неделя – просмотр 5 первых видео-материалов с последующей консультацией лектора на очном занятии,
вторая неделя – просмотр 5 завершающих видео-материалов с последующей консультацией лектора на очном занятии,
третья неделя – проведение отчетного теста по видео-лекциям и консультациям.
Темы видео-лекций:
классификация погрешностей,
характеристики погрешностей,
случайные величины,
нормальное распределение,
погрешность косвенных измерений,
пример: измерение ускорение свободного падения,
оценка параметров зависимостей,
минимум хи-квадрат и метод наименьших квадратов,
проверка моделей и погрешности параметров,
построение графиков.
Аттестация по видео-части проводится после двух лекционных консультаций в виде письменного теста:
список тестовых вопросов по видео-лекциям и консультациям публикуется до начала семестра в разделе Тестовые вопросы,
на консультациях обсуждаются все тестовые вопросы включая дополнения к видео-лекциям П.В.Попова,
для получения аттестации необходимо верно ответить на 6 из 8 тестовых вопросов в одном из вариантов отчетного теста.
Программа спецкурса QuProb.pdf
Лектор очных занятий и консультант - Киселев Валерий Валерьевич
Доктор физ.мат. наук, доцент, физик-теоретик
Область научных интересов:
физика тяжелых кварков
гравитация и космология
черные дыры
Научные публикации и цитируемость в базах данных:
Лекционные курсы:
Дополнительная "серьёзная" литература по статистической обработке данных эксперимента размещена в разделе Лекции. Внимание! На английском языке!