Bevezetés a kvantum-informatikába és kommunikációba

A tantárgy angol neve: Introduction to Quantum Computing and Communication

Adatlap utolsó módosítása: 2019. június 7.

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. Imre Sándor, egyetemi tanár, Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék

Dr. Bacsárdi László, tudományos munkatárs, 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:
BMEVIHI9353 Kvantum-informatika és kommunikáció
BMEVIHISV53 Kvantum-informatika és kommunikáció
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
A kvantum informatika motivációja. A Moore-törvény korlátja és a kvantummechanika kapcsolata. A kvantum informatika alkalmazásának lehetőségei. A kvantummechanika rövid története. A gyök NOT kapu rejtélye (kvantum interferométer)

2. Kvantum informatika alapjai (1)
A Hilbert-tér és a kvantummechanika kapcsolata, egyszerűsített leírás . Kvantum informatikai jelölések, komplex valószínűségi amplitúdók. A kvantummechanika posztulátumai
3. Kvantumbit, kvantumregiszter
Kvantumbit és kvantumregiszter, szuperpozíció elve. Ábrázolás a Bloch-gömb segítségével. Alap kvantum kapuk és leírásuk.
4. Összefonódás
Összefonódás (entanglement) és hatásai. Környezettel való összefonódás (dekoherencia) és következményei.
5. Kvantum informatika alapjai (2)
Mérés: kapcsolat a kvantum és a klasszikus világ között. Mérési technikák: projektív, POVM. Kapcsolat a különböző mérések között.
6. Kvantum informatika alapjai (3)
A kvantum interferométer általános leírása. Másolás kvantumvilágban (No Cloning Theorem). Tetszőleges kvantumbit előállítása alap kvantumkapuk segítségével.
7. Egyszerű kvantum algoritmusok
Szupersűrűségű tömörítés. Teleportálás.
8. Kvantum párhuzamosság (1)
A kvantum párhuzamosság alapjai. A Deutsch-Jozsa-algoritmus leírása.
9. Kvantum párhuzamosság (2)
Simon-algoritmus. Kvantum párhuzamosság alkalmazása
10. Infokommunikációs problémák kvantum alapú megoldásai (1)
Kvantum kriptográfia és kvantum kulcsszétosztás. A BB84 protokoll működése és megvalósítása. A B92 protokoll működése.
11. Kvantumkriptográfia gyakorlati alkalmazásai
A jelenlegi vezetékes kvantum kriptográfiai rendszerek bemutatása. Kvantumkommunikáció alkalmazása az űrtávközlésben.
12. Infokommunikációs problémák kvantum alapú megoldásai (2)
Hatékony keresés rendezetlen adatbázisban: a Grover-algoritmus.
13. Infokommunikációs problémák kvantum alapú megoldásai (3)
Prímfaktorizáció, rendkeresés és a Shor-algoritmus
14. Kvantum számítógépek, hol tart ma a világ
Kvantum számítógép építésének aktuális helyzete: foton, elektron, atom, molekula alapú megközelítések, jelenlegi elképzelések és kutatási irányok.
9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) Előadás
10. Követelmények A szorgalmi időszakban:
A 3 darab kis zárthelyi dolgozat összpontszámából legalább 40%-ot el kell érni ÉS a házi feladat pontszámából legalább 40%-ot el kell érni.
A tárgy végső jegye 3x20%-ban a zárthelyi dolgozat eredménye, 40%-ban pedig a házi feladat eredménye.
b.    A vizsgaidőszakban: -
c.    Elővizsga: -

11. Pótlási lehetőségek A kiszárthelyik nem pótolhatók, a házi feladat késedelmes beadás a pótlási héten különeljárási díj ellenében.
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 oldal (néhány példányban kölcsönözhető).

További magyar és angol nyelvű segédanyagok elektronikus formában érhetők el. 
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. Imre Sándor egyetemi tanár Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
Bacsárdi László óraadó Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék