Bevezetés a kvantum-informatikába és kommunikációba

A tantárgy angol neve: Introduction to Quantum Computing and Communication

Adatlap utolsó módosítása: 2023. július 6.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Mérnök informatikus szak

Villamosmérnöki szak

Szabadon választható tárgy 

Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIHIAV06   2/0/0/f 2  
3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Imre Sándor,
4. A tantárgy előadója Dr. Bacsárdi László, docens, HIT
Dr. Imre Sándor, egyetemi tanár, HIT
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:

BMEVIHIMA14  Kvantum-informatika és kommunikáció
7. A tantárgy célkitűzése Napjaink számítástechnikai eszközei teljesítőképességük elvi határához érkeztek, 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 bemutatni a kvantum informatikát és a kvantumkommunikáció alkalmazásának lehetőségeit. A kurzus célja elmagyarázni a kvantum áramkörök alapjait és több kvantuminformatikai algoritmust, valamint megvilágítani kvantuminformatika fontosságát és alkalmazhatóságának sokszínűségét. A tárgy röviden ismerteti a gyakorlati megvalósítás alapjait is.
8. A tantárgy részletes tematikája 1.    Bevezetés. Motiváció.
A második kvantumtechnológiai forradalom. A kvantuminformatika motivációja. A Moore-törvény korlátja és a kvantummechanika kapcsolata. A kvantuminformatika alkalmazásának lehetőségei. A kvantummechanika rövid története. A gyök NOT kapu rejtélye (kvantum interferométer)
2.    A kvantuminformatika posztulátumai:
A Hilbert-tér és a kvantummechanika kapcsolata, egyszerűsített leírás . Kvantuminformatikai jelölések, komplex valószínűségi amplitúdók. A kvantummechanika posztulátumai
3.    Egybites és több bites kvantumkapuk. Összefonódás. Bell-állapotok.
4.    Hogyan működik egy kvantumszámítógép? Kvantumkapuból kvantumáramkör, abból kvantumszámítógép. Kvantumpárhuzamosság.
5.    Kvantumáramkör összeállítása az IBM Quantum Composerben
6.    Az IBM QuantumLab használata
7.    Optikai és kvantumoptikai alapismeretek: a klasszikus optikai átvitel és az optikai alapú kvantumkommunikáció ismertetése. Polarizáció jelentősége a kvantumkommunikációs rendszerekben. Lézer. Egyfoton források.
8.    Kvantumkommunikációs protokollok: Szupersűrűségű tömörítés. Teleportálás. Közeghozzáférés
9.    Kvantum alapú kulcsszétosztás: előállít-és-megmér és összefonódáson alapuló QKD
10.    Vezetékes és szabadtéri kvantumkommunikáció története: az első kísérlettől a szabványokig.
11.    Magyar kvantuminformatikai és kvantumkommunikációs eredmények
12.    Európai kvantumkommunikációs infrastruktúra: előzmények, architektúra, fejlesztések
13.    Kvantuminformatika és kvantumkommunikáció piaca
14.    A félév összefoglalása. Kvantuminformatikai és kvantumkommunikációs jövőkép

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) Előadás (illusztratív példákkal)
10. Követelmények A szorgalmi időszakban:
A félév során két kiszárthelyi dolgozat megírása kötelező, amelyek egyenként 30 pont értékűek.
A félév során továbbá egy házi feladatot kell készíteni, további 40 pontért. A házi feladat beadási határideje a szorgalmi időszak 11. oktatási hetének pénteki napja.
Így összesen 100 pontot (30+30+40) lehet összegyűjteni. Az összegyűjtött pontok alapján alakul ki a félév végi érdemjegy, 40, 55, 70, 85 pontos ponthatárokkal.
b.    A vizsgaidőszakban: -
c.    Elővizsga: -

11. Pótlási lehetőségek A két kiszárthelyi dolgozat (akár egyik, akár mindkettő) pótolható a pótlási héten.
A házi feladat pótolható a pótlási hét 4. napjáig.

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, Wiley, 2005 (néhány példányban kölcsönözhető).

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
Kontakt óra28
Félévközi készülés órákra6
Felkészülés zárthelyire10
Házi feladat elkészítése16
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása 
Vizsgafelkészülés60
Összesen 
15. A tantárgy tematikáját kidolgozta Dr. Bacsárdi László, docens, HIT
Dr. Imre Sándor, egyetemi tanár, HIT