Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

    Belépés
    címtáras azonosítással
    vissza a tantárgylistához   nyomtatható verzió    

    Kvantuminformatikai alkalmazások

    A tantárgy angol neve: Quantum Computing and its Applications

    Adatlap utolsó módosítása: 2022. augusztus 29.

    Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
    Villamosmérnöki és Informatikai Kar

    Mérnökinformatikus

    BSc

    kötelezően választható

    Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
    VIHIAD00   2/2/0/f 5  
    3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Bacsárdi László,
    4. A tantárgy előadója Dr. Bacsárdi László, docens, HIT
    Dr. Imre Sándor, egyetemi tanár, HIT
    7. A tantárgy célkitűzése A tárgy célja kvantuminformatikai ismeretek átadása a hallgatók számára. A kvantuminformatika eszköztárának köszönhetően számos olyan alkalmazást készíthetünk el, amely a hagyományos informatikai algoritmusokhoz képest jóval gyorsabban állítja elő a megoldásokat. Ilyen alkalmazások például a nyilvános kulcsú titkosítás feltörése, a rendezetlen adatbázisban való gyors keresés. Ráadásul a kvantuminformatika a klasszikus világban szokatlan kommunikációs protokollokat is kínál (pl. szupersűrű tömörítés, teleportálás).
     A tantárgy célja elmagyarázni a kvantumáramkörök alapjait és több kvantuminformatikai algoritmust, valamint megvilágítani kvantuminformatika fontosságát és alkalmazhatóságának sokszínűségét.
    8. A tantárgy részletes tematikája Az előadások részletes tematikája:
    1.    A kvantuminformatika motivációja. A Moore-törvény korlátja és a kvantummechanika kapcsolata. A kvantum informatika alkalmazásának lehetőségei. A kvantummechanika rövid története.
    2.    Kvantuminformatika posztulátumai: kvantumbit, műveletek, mérés, regiszter
    3.    Összefonódás (entanglement) és hatásai.  Bell-állapotok. EPR-paradoxon.
    4.    Mérés: kapcsolat a kvantum és a klasszikus világ között. Mérési technikák: projektív mérés.  Kapcsolat a különböző mérések között.
    5.    A kvantuminterferométer általános leírása. Másolás kvantumvilágban (No Cloning Theorem).
    6.    Tetszőleges kvantumbit előállítása alap kvantumkapuk segítségével. Szupersűrűségű tömörítés. Teleportálás.
    7.    Kvantum alapú kulcsszétosztás. A BB84 protokoll működése és megvalósítása. A B92 protokoll működése. Második generációs QKD.
    8.    Kvantuminformatikai rendszerek építőelemei
    9.    A kvantum párhuzamosság alapjai. A Deutsch-Jozsa-algoritmus leírása. Kvantum Fourier-transzformáció alapja.
    10.    Fázisbecslés. A Shor-algoritmus áttekintése.
    11.    Hatékony keresés rendezetlen adatbázisban: a Grover-algoritmus.
    12.    Kvantumszámítógépek működései elvei: különböző fizikai megvalósítások áttekintése
    13.    Kvantuminternet megvalósításának kérdései. Megbízható és nem megbízható csomópontok. Kvantum-jelismétlők (repeaterek).
    14.    A szabadtéri kulcsszétosztás technológiai kihívásai. Űrkvantumkommunikáció: kvantumkommunikáció műholdas rendszereken

    A gyakorlatok/laborok részletes tematikája:
    1.    Műveletek kvantumbitekkel és kvantumregiszterekkel
    2.    Műveletek a Bloch-gömbön
    3.    Kvantuminformatikai áramkörök tervezése
    4.    Kvantum alapú véletlenszámok előállítása
    5.    Kvantumszámítógépek programozása 1.: ismerkedés az IBM kvantumszámítógépével
    6.    Kvantumszámítógépek programozása 2.: algoritmus implementációja áramköri rajz segítségével
    7.    Kvantumszámítógépek programozása 3.: algoritmus implementációja programozási nyelvben
    8.    Kvantumszámítógépek programozása 4.: egyszerű kvantumalgoritmusok írása
    9.    Kvantumszámítógépek programozása 5.: kvantumprotokollok implementálása
    10.    Kvantumszámítógépek programozása 6.: algoritmusok futtatási limitációi
    11.    Kvantum alapú kulcsszétosztás a gyakorlatban 1.: vezetékes kvantum alapú kulcsszétosztás technológiai megvalósítása
    12.    Kvantum alapú kulcsszétosztás a gyakorlatban 2.: szabadtéri kvantum alapú kulcsszétosztás technológiai megvalósítása
    13.    Shor-algoritmus működése egy gyakorlati példán keresztül
    14.    Kvantummechanikai világképek (megfigyelő, párhuzamos univerzumok) és gyakorlati következményeik


    9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) Előadás. A tárgy sikeres elvégzése és az ismeretek egymásra épülése miatt a leadott tananyag folyamatos elsajátítása szükséges.

    Gyakorlat: Az előadáson elhangzottak áttekintése, gyakorlati példákkal történő kiegészítése.
    10. Követelmények Szorgalmi időszakban: A szorgalmi időszakban 3 darab kis zárthelyi dolgozatot írnak a hallgatók valamint egy házi feladatot készítenek. Mind a három kis zárthelyi esetében el kell érni kis zárthelyinként legalább 40%-ot ÉS a házi feladat pontszámából is legalább 40%-ot el kell érni.
    A tárgy végső jegye 3x20%-ban a zárthelyi dolgozat eredménye, 40%-ban pedig a házi feladat eredménye.

    Vizsgaidőszakban: -
    11. Pótlási lehetőségek A kiszárthelyik pótlására a pótlási héten biztosítunk lehetőséget (mind a három kis zárthelyi pótolható).
    A házi feladat késedelmes beadása a pótlási hét negyedik napjáig lehetséges különeljárási díj ellenében.
    12. Konzultációs lehetőségek Az előadások előtt és után, valamint előre egyeztetett időpontban bármikor.
    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 oldal (néhány példányban kölcsönözhető).

    További magyar és angol nyelvű segédanyagok elektronikus formában érhetők el.
    14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
    Kontakt óra56
    Félévközi készülés órákra28
    Felkészülés zárthelyire30
    Házi feladat elkészítése36
    Kijelölt írásos tananyag elsajátítása0
    Vizsgafelkészülés0
    Összesen150
    15. A tantárgy tematikáját kidolgozta Dr. Bacsárdi László, docens, BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
    IMSc tematika és módszer A kis zárthelyiken extra feladatot biztosítunk IMSc-pontért.
    A házi feladat során extra feladatot biztosítunk IMSc pontért.
    IMSc pontozás A kis zárthelyiken zárthelyinként 6 IMSc pont szerezhető. Az IMSc feladat értékelésének feltétele a jeles eredményű kis zárthelyi.
    A házi feladat során 7 IMSc pont szerezhető. Az IMSc feladat értékelésének feltétele a jeles eredményű házi feladat.