BME VIK - Kvantumszámítógépek és alkalmazásaik

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, lineáris algebra

7. A tantárgy célkitűzése A tárgy fő célkitűzései egyfelől a kvantumszámítógépek működésére és programozására vonatkozó ismeretek átadása. Ezen belül a hallgatók megismerkednek a különféle kvantumszámítógépes architektúrákkal. Másfelől bemutatjuk a kvantumos algoritmusok tervezési módszertanát és a legfontosabb hatékony algoritmusokat, illetve azokat a korszerű kvantumszámítógép-programozási nyelveket, rendszereket, melyek lehetővé teszik ezek futtatását a kvantumszámítógépeken. Végezetül a hallgatók megismerkednek a kvantuminformatikai rendszerek minősítését lehetővé benchmarking technikákkal.

8. A tantárgy részletes tematikája     Motivációk. A kvantuminformatika alkalmazásának lehetőségei. Kvantummechanikai alapok.

    Kvantuminformatika posztulátumai: kvantumbit, műveletek, mérés, regiszter. Összefonódás (entanglement) és hatásai.

    Bell-állapotok. EPR-paradoxon. Mérési technikák.: projektív és POVM mérés.

    Kvantumszámítógépek működésének alapjai (No Cloning Theorem, szuperpozícióban levő kvantumbit előállítása, kvantumpárhuzamosság). A kvantumalgoritmusok tervezési módszertana.

    Kvantuminformatikai algoritmusok: adatbáziskezelés (adott elem megkeresése, optimumkeresés, hibavalószínűség csökkentése)

    Kvantuminformatikai algoritmusok: kvantum Fourier-transzformáció, rendkeresés, Shor-algoritmus

    Posztkvantumkriptográfia

    Kvantumszámítógépek fizikai architektúrái és aktuális megvalósításának áttekintése

    Kvantumhardverek megvalósítási kihívásai (kvantumbitek, kvantumkapuk hibajavítása)

    Kvantumszámítógépek bonyolultsági problémaosztálya

    Kvantumszámítógépek: benchmarking (https://standards.ieee.org/ieee/7131/10681/)

    Kvantumszámítógépek programozása

    Kvantum mesterséges intelligencia

    Félév végi összefoglalás. Kitekintés: kvantumszámítógépek piaca és jövője

A gyakorlatok/laborok részletes tematikája

    Műveletek kvantumbitekkel és kvantumregiszterekkel (tenzorszorzás)

    Kvantuminformatikai algoritmusok tervezése (konstrukciós feladat)

    Dekompozíció: unitér transzformáció visszavezetése elemi kapukra (gyakorlati példa: kvantum Fourier-transzformáció)

    Kvantum alapú véletlenszámok statisztikai tesztelése

    Kvantumbitek kezelése különböző architektúrájú kvantumszámítógéppel

    Komplex kvantumalgoritmusok

    Következő generációs kvantumszámítógépek

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