Optikai kvantumkommunikációs rendszerek

A tantárgy angol neve: Photon Based Quantum Communication Systems

Adatlap utolsó módosítása: 2021. március 22.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Villamosmérnöki szak

Mérnök Informatikus szak

BSc és MSc képzés

Szabadon választható tantárgy
Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIHIAV46   1/0/1/f 2  
4. A tantárgy előadója

Név:

Beosztás:

Tanszék, Int.:

Gerhátné Dr. Udvary Eszter

egyetemi docens

HIT

Dr. Bacsárdi László

egyetemi docens

HIT

Schranz Ágoston

tudományos segédmunkatárs

HIT

Matolcsy Balázs

tudományos segédmunkatárs

HIT

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít

fizika, kommunikáció

6. Előtanulmányi rend
Ajánlott:
Bevezetés a kvantum-informatikába és kommunikációba (VIHIAV06) vagy Kvantum-informatika és kommunikáció (VIHIMA14)
7. A tantárgy célkitűzése

A tantárgy célja a kvantumkommunikáció és az optikai távközlés iránt érdeklődő hallgatók gyakorlati tudásának megalapozása. A tantárgy bemutatja a korszerű kvantumkommunikációs rendszerekben alkalmazott fizikai eszközöket, a felhasznált jelenségeket, majd a biztonságos adattovábbításhoz szükséges véletlenszám-generátorok és a generált kulcs biztonságos szétosztásának példáján keresztül mutatja be a kvantummechanika jelenségeinek felhasználását. Az elméleti ismeretek elmélyítését vezetett labormérések és mérésbemutatók segítik.

8. A tantárgy részletes tematikája

1.hét (előadás):    Bevezetés. A klasszikus optikai átvitel és az optikai alapú kvantumkommunikáció ismertetése. Összefonódáson alapuló rendszerek. Az alkalmazott eszközök összehasonlítása.

2.hét  (előadás):  Fény modellezése, geometriai optika, kapcsolódó kísérletek. Fény polarizációja, Brewster-szög. Polarizáció jelentősége a kvantumkommunikációs rendszerekben.

3.hét (labor):      Optikai szál, fényvezetés. Üveg törésmutatójának mérése a fénytörés alapján. Az üveg törésmutatójának mérése a Brewster-szög alapján. Optikai szál numerikus apertúra mérése.

4.hét (előadás):   Félvezető lézerdióda típusai és tulajdonságai. Lézer közvetlen modulációja, ki/be kapcsolás. Nem tökéletes kikapcsolás által okozott problémák kvantumkommunikációs rendszerben. Fotodióda-típusok és tulajdonságok.

5.hét (labor):      Félvezető lézerdióda optikai teljesítmény-áram karakterisztika mérése. Fotodióda vett optikai egyenteljesítmény-fotoáram karakterisztika mérése. Kvantumkommunikációs rendszerekben használt passzív optikai eszközök áttekintése.

6.hét (labor):        Optikai reflexió hatása, kiküszöbölés. A kvantumkommunikációs rendszer reflexióra való érzékenysége. Az optikai reflexió jelenségének felhasználása szálhossz mérésére, hibák felderítésére. Optikai időtartománybeli reflektométer elrendezés felépítése és mérése.

7.hét (előadás):   Kvantumkommunikációs rendszerekben használt fényforrások áttekintése. Egyfoton-források, helyettesítésük lézerrel. Összefonódott fotonpárokat generáló források.

8.hét (labor):      Fotonszámláló alkalmazási kérdései, egyfoton-detektorok: fotoelektron-sokszorozók, egyfoton-lavinadiódák. Fotoelektron-sokszorozó paramétereinek mérése, működtetésének bemutatása. Külső zaj hatásának áttekintése.

9.hét (előadás):   Véletlenszám-generátorok, optikai kvantum-véletlenszámgenerátor (QRNG) struktúrák.

10.hét (labor):     Véletlenszám-generálás erősített spontán emisszió alapján. Erbium-adalékolású szál alapú optikai erősítő alkalmazása véletlenszám-generálásra, eszköz paramétereinek mérése.

11.hét (labor):     Véletlenségtesztelés demonstrációja, jó minőségű valódi véletlenszámok teszteredményeinek összehasonlítása álvéletlen és egyéb determinisztikus számsorozatokkal. Optikai alapú, kvantum-véletlenszámgenerátor bemutató mérése.

12.hét (előadás): Kvantum alapú kulcsszétosztás. Kvantumkulcsszétosztó protokollok és topológiák ismertetése. Nagy távolságú kvantumkommunikációs rendszerek implementációs problémái.

13.hét (labor):     Kvantum alapő kulcsszétosztás, bemutató mérés.

14.hét (előadás): Összefoglalás és kitekintés. A tanult témakörök összegzése.

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium)

Az oktatás elméleti előadások és ahhoz kötődő laboratóriumi gyakorlatok formájában történik. Az elméleti ismeretek bemutatása után, a laboratóriumi mérések rész a téma gyakorlati oldalát ismerteti.

10. Követelmények

a.         A szorgalmi időszakban:     A félév elején meghatározott házi feladat elkészítése. A házi feladat két összefüggő részből áll. Az első rész beadási határideje a szorgalmi időszak 7. hete, a második rész beadási határideje a szorgalmi időszak 14. hete. A félév végi osztályzatot a két részfeladatra kapott érdemjegy átlaga adja.

b.         A vizsgaidőszakban:            nincs

c.        Elővizsga:    -

11. Pótlási lehetőségek

Házi feladat utólagos beadása a pótlási héten. Mindkét rész pótolható.

12. Konzultációs lehetőségek

Igény szerint, az oktatókkal egyeztetve.

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom

- A tantárgy weboldalán elérhető elektronikus segédanyag

- Imre Sándor,  Gyöngyösi László: Advanced Quantum Communications: An Engineering Approach, John Willey & Sons, 2012, ISBN 9781118002360

- Govind P.Agrawal: Fiber-Optic Communication Systems, John Willey & Sons, 4th Edition, 2010, ISBN: 978-0-470-50511-3

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
Kontakt óra28
Félévközi készülés órákra6
Félévközi készülés laborokra
8
Házi feladat elkészítése18
Összesen60
15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

Név:

Beosztás:

Tanszék, Int.:

Gerhátné Dr. Udvary Eszter

egyetemi docens

HIT

Dr. Bacsárdi László

egyetemi docens

HIT

Schranz Ágoston

tudományos segédmunkatárs

HIT