Kvantum-informatika és kommunikáció

A tantárgy angol neve: Quantum Computing and Communication

Adatlap utolsó módosítása: 2008. október 8.

Tantárgy lejárati dátuma: 2009. november 24.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Villamosmérnöki Szak

Műszaki Informatika Szak

Választható tárgy
Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIHI9353   4/0/0/v 5 1/1
3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Imre Sándor,
4. A tantárgy előadója

Név:

Beosztás:

Tanszék, Int.:

Dr. Imre Sándor

Egyetemi docens

Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
     
5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít

Valószínűségszámítás

6. Előtanulmányi rend
Ajánlott:

Tematikaütközés miatt a tárgyat csak azok vehetik fel, akik korábban nem hallgatták a következő tárgyakat:

Neptun-kód Cím

7. A tantárgy célkitűzése

Napjaink számítástechnikai eszközei teljesítőképességük elvi határához éreztek, mivel az áramköri elemek a jelenlegi technológiával tovább nem csökkenthetők lényegesen. Ugyanakkor egyre több informatikai és távközlési feladat vár megoldásra, melyeket a jelenlegi számítástechnikai kapacitásokkal reménytelen megoldani, csupán szuboptimális megoldások alkalmazhatók. E kettős problémakörre kínál megoldást a kvantummechanikai alapokra épülő ún. kvantum informatika és kommunikáció, mely egyfelől atomi méretekre zsugorítja az áramköri elemeket, másfelől nagyfokú párhuzamosíthatóságot tesz lehetővé, ezáltal lényegesen redukálva a számítási időt, harmadrészt pedig a klasszikus világban szokatlan megoldási lehetőségeket is kínál (pl. teleportálás). A tantárgy célja, hogy megismertesse a hallgatóságot a kvantum informatika fogalomrendszerével, információ elméleti vonatkozásaival és alkalmazási példákon keresztül informatikai és távközlési környezetben való alkalmazhatóságával. A tárgy az elméleti hátér tárgyalásán túl röviden ismerteti a gyakorlati megvalósítás alapjait is.

8. A tantárgy részletes tematikája

    1.      Bevezetés (motivációk)

    ·        Hogyan nyerjünk vetélkedőt (egy szemléletes példa), feladvány a hallgatóknak,

    ·        A gyök NOT kapu

    ·        A kvantummechanika rövid története

    2.      Kvantum informatika alapjai

    ·        Kvantummechanika posztulátumai

    ·        Mérési technikák: Projektív, POVM

    ·        Qbit, qregiszter

    ·        Hilbert-tér és a kvantummechanika kapcsolata, egyszerűsített leírás

    ·        Jelölések, definíciók

    ·        Komplex valószínűségek

    ·        Szuperpozíció

    ·        Összefonódás (entanglement)

    ·        Interferométer, dekoherencia

    3.      Egyszerű kvantum algoritmusok

    ·        Szupersűrűségű tömörítés

    ·        Teleportálás

    ·        Deutsch-Jozsa-algoritmus

    ·        Simon-algoritmus

    ·        Kvantum Fourier-transzformáció

    6.      Infokommunikációs problémák kvantum alapú megoldásai

    ·        Shor-algoritmus

    ·        Gover-algoritmus

    ·        Kvantum számlálás

    ·        Minimum/maximum keresés

    ·        Kvantum kriptográfia

    ·        Kvantum kriptoanalízis

    4.      Kvantum logikai kapu rendszerek és ezek ekvivalenciája

     

    5.      Információelmélet kvantuminformatikai alapokra helyezése

    ·        Kvantum mechanika és információelmélet kapcsolata, paradigmaváltás a bizonyítás terén

    ·        Rendszertípusok I.

    ·        Determinisztikus

    ·        Valószínűségi (probabilistic): pl. neurális, genetikus, stb.

    ·        Kvantum

    ·        Rendszertípusok II.

    ·        Klasszikus

    ·        Kvantum támogatású klasszikus

    ·        Tiszta kvantum

    ·        A kvantumszámítógép: Deutsch-féle tételek és bizonyításaik

    ·        Feltételes entrópia és információ általánosítása

    ·        Kvantum csatornák kapacitása

    ·        Kvantum zaj és hibajavítás

    ·        Kvantum forráskódolás

     

    7.      Kvantum számítógépek, hol tart ma a világ

    ·        Foton, elektron, atom, molekula alapú megközelítések

    8.      A Bevezetésben feladott feladvány megoldása, a beadott megoldási javaslatok értékelése

     

    A kvantum számítástechnika története
    9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium)

    (előadás, gyakorlat, laboratórium):

    előadás

    10. Követelmények

    a.       A szorgalmi időszakban:

                       Nagy házi feladat elkészítése

     

    b.       A vizsgaidőszakban:

                            szóbeli vizsga

     

    c.    Elővizsga:

                                        a szorgalmi időszak utolsó hetében
    11. Pótlási lehetőségek

    Nincs

    12. Konzultációs lehetőségek

    Az előadások előtt és után, valamint bármikor, de előre egyeztetett időpontban.

    13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom

    S. Imre, F. Balázs: Quantum Computing and Communications – An Engineering Approach, Published by John Wiley and Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England, 2005, ISBN 0-470-86902-X, 283 pages (néhány példányban kölcsönözhető).

    14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka

    (a tantárgyhoz tartozó tanulmányi idő körülbelüli felosztása a tanórák, továbbá a házi feladatok és a zárthelyik között (a felkészülésre, ill. a kidolgozásra átlagosan fordítandó/elvárható idők félévi munkaórában, kredit x 30 óra, pl. 5 kredit esetén 150 óra)):

     

    Kontakt óra

    60

    Félévközi készülés órákra

    30

    Felkészülés zárthelyire

    		  

    Házi feladat elkészítése

    		 30

    Kijelölt írásos tananyag elsajátítása

    		  

    ..

    		  

    Vizsgafelkészülés

    30

    Összesen

    150
    15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

    Név:

    Beosztás:

    Tanszék, Int.:

    Dr. Imre Sándor

    Egyetemi docens

    Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék