BME VIK - Kvantumhálózatok

3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Bacsárdi László,

4. A tantárgy előadója Dr. Bacsárdi László, docens, HIT

Gerhátné Dr. Udvary Eszter, docens, HIT

Dr. Imre Sándor, egyetemi tanár, HIT

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít Valószínűségszámítás, lineáris algebra

7. A tantárgy célkitűzése A tárgy célja kvantumkommunikációs ismeretek átadása a hallgatók számára. A tantárgy célja elmagyarázni a kvantumkommunikációs hálózatok működési alapjait és megvilágítani kvantumkommunikáció fontosságát és alkalmazhatóságának sokszínűségét. A kapcsolódó kvantum-információelméleti alapfogalmak bevezetését követően a tárgy kvantumkommunikációs hálózatokról nyújt alapos áttekintést, tárgyalva mind a kvantum alapú kulcsszétosztó (QKD) hálózatokat, mind az úgynevezett „beyond QKD” megoldásokat, amelyek a jövő kvantuminternetének alapját jelentik.

8. A tantárgy részletes tematikája
    A kvantumkommunikációs hálózatok működési modellje, alkalmazási területek.

    Kvantum-információelméleti alapfogalmak. A kvantuminformatika sűrűségmátrixos jelölésrendszere. Posztulátumok sűrűségmátrixszal. Tiszta és kevert állapotok.

    Egyszerű kvantumkommunikációs protokollok: teleportáció, szupersűrű tömörítés.

    A kvantum alapú kulcsszétosztás alapprotokolljai. Előállít-és-megmér típusú QKD és összefonódáson alapuló QKD.

    A QKD fizikai rétege felett: information reconcelation and privacy amplification

    Nagy távolságú kvantumkulcsszétosztó rendszerek tervezési kérdései. Az ETSI QKD-szabványai.

    Kvantum-entrópia fogalma, feltételes kvantum-entrópia, kölcsönös kvantum-információ, kvantum-relatív entrópia függvény, analógia klasszikus rendszerekkel. Kvantumcsatornák leírása és jellemzése. Alapvető kvantumcsatornák. Klasszikus és kvantum kapacitás definíciók. Holevo–tétel. Kapacitások meghatározása jellegzetes kvantumcsatornákra. 

    Kvantumcsatornák hibajavítása, kapcsolódó információelméleti korlátok. Hibajavító kódolások áttekintése, hatékonyság, fizikai megvalósítások tárgyalása.

    A kvantuminternet architektúrája és protokollkészlete

    A kvantum-jelismétlők (kvantum-repeaterek) működési elve és alkalmazásai telekommunikációs rendszerekben. Kvantummemória és kvantumjelismétlők fizikai felépítése

    Összefonódás-megosztás protokollja és alkalmazásai. Kommunikáció zéró kapacitású csatornán - szuperaktiválás.

    Optikai szálas kvantumkommunikációs rendszerek technológiai kihívásai

    Szabadtéri és műholdas kvantumkommunikációs rendszerek technológiai kihívásai

    Félév végi összefoglalás. Kitekintés: kvantumhálózatok piaca és jövője

A gyakorlatok/laborok részletes tematikája

    Sűrűségmátrixos jelölésrendszer alkalmazása

    Kvantumkulcsszétosztó hálózatok tervezése a gyakorlatban

    Előállít-és-megmér protokollon alapuló kvantum kulcsszétosztás a gyakorlatban

    Összefonódáson alapuló kvantum kulcsszétosztás a gyakorlatban

    Kvantuminternet protokollok

    Összefonódás megosztás gyakorlati példákon keresztül

    Következő generációs kvantumkulcscsere architektúrák

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 1 darab nagy zárthelyi dolgozatot írnak a hallgatók, valamint 2 kis házi feladatot készítenek. Az aláírás feltétele: a nagy zárthelyi dolgozat pontszámából el kell érni legalább 40%-ot ÉS a két kis házi feladat összpontszámából is legalább 40%-ot el kell érni.

Vizsgaidőszakban

Szóbeli vizsga.

11. Pótlási lehetőségek A nagy zárthelyi pótlására a pótlási héten biztosítunk lehetőséget.

A két kis 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 1. S. Imre, L. Gyöngyösi: Advanced Quantum Communications - An Engineering Approach, Publisher: Wiley-IEEE Press (New Jersey, USA), John Wiley & Sons, Inc., 2012 (néhány példányban kölcsönözhető)

További magyar és angol nyelvű segédanyagok elektronikus formában érhetők el.

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka

Kontakt óra	42
Félévközi készülés órákra	28
Felkészülés zárthelyire	20
Házi feladat elkészítése	20
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása	0
Vizsgafelkészülés	40
Összesen	150

15. A tantárgy tematikáját kidolgozta
Dr. Bacsárdi László, docens, BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék