BME VIK - Kvantuminformatikai alkalmazások

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 óra	56
Félévközi készülés órákra	28
Felkészülés zárthelyire	30
Házi feladat elkészítése	36
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása	0
Vizsgafelkészülés	0
Összesen	150

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.