Квантовые вычисления

2019/2020

Учебный год

RUS

Обучение ведется на русском языке

4

Кредиты

Кто читает:

Кафедра инноваций и бизнеса в сфере информационных технологий

Статус:

Курс по выбору

Когда читается:

3-й курс, 1 модуль

Преподаватель

Балыбин Степан Николаевич

Программа дисциплины

Аннотация

«Квантовые вычисления» - это «смешанный» курс, преподаваемый на 3-м курсе бакалавриата. Курс состоит из онлайновой части, предоставленной www.coursera.org (название курса – Квантовые вычисления, https://www.coursera.org/learn/kvantovyyevychisleniya) и описанной ниже автономной части. Предполагается, что студенты самостоятельно изучают интерактивную часть, используя материалы, доступные на сайте www.coursera.org. Автономная часть курса помогает студентам лучше понять основы квантовых вычислений, общаясь с преподавателем. Охват автономной части не ограничивается темами онлайновой части и уделяет особое внимание актуальным вопросам прикладных областей, которые могут быть трудными для самостоятельного изучения. Продолжительность курса составляет один модуль. Курс стоит из 4 кредитов.

Цель освоения дисциплины

• Знакомство с быстроразвивающейся областью квантовых вычислений
• Изучение структурных единиц квантовых компьютеров бедующего, формирование понимания отличий квантовых битов от классических битов
• Изучение основных квантовых логических операций и алгоритмов обработки квантовой информации
• Овладение базовыми знаниями о практическом использовании квантовых алгоритмов и навыками квантового программирования

Планируемые результаты обучения

• Знаком с быстроразвивающейся областью квантовых вычислений
• Понимает структурную единицу квантовых компьютеров бедующего
• Понимает отличия квантовых битов от классических битов
• Умеет реализовать алгоритм Дойча на квантовом компьютере
• Умеет применять алгоритм Шора на квантовом компьютере
• Понимает структурные единицы квантовых компьютеров бедующего
• Владеет основами квантовых логических операций и алгоритмов обработки квантовой информации
• Владеет базовыми знаниями о практическом использовании квантовых алгоритмов и навыками квантового программирования

Содержание учебной дисциплины

• Введение
  Информация и вычисления. Характеристики вычислительных систем. Вычислимость и алгоритм. Сложность вычислений. Квантовые эффекты. Многомировая интерпретация квантовой механики.
• Математическая модель квантовых вычислений
  Кубит. Измерение кубита. Система кубитов. Измерение системы кубитов. Эволюция квантовой системы. Эволюция квантовой системы. Преобразование Адамара.
• Квантовый компьютер и квантовые алгоритмы
  Задача Дойча. Квантовый компьютер на фотонах. Реализация алгоритма Дойча на квантовом компьютере. Задача Дойча-Джозы. Задача Бернштейна-Вазирани. Задача Саймона.
• Алгоритм Шора
  Факторизация и RSA. Поиск периода и факторизация. Квантовое преобразование Фурье. Алгоритм Шора.
• Квантовые биты, квантовая логика и основные квантовые алгоритмы
• Оболочки квантового программирования и их использование
• Работа с кубитами программными средствами
• Основные положения теории квантовых вычислений и теории квантовых измерений
  Математическая модель описания поведения произвольной квантовой системы. Формализм Дирака. Чистые и смешанные квантовые состояния. Квантовые наблюдаемые. Основные положения квантовой теории измерений. Соотношение неопределенности. Апостериорное состояние. Последовательные измерения. Представление Блоха однокубитных состояний. Расчет вероятностей измерения наблюдаемых однокубитной квантовой системы.

Элементы контроля

• Самостоятельная работа
• Экзамен

Промежуточная аттестация

• Промежуточная аттестация (1 модуль)
  0.7 * Самостоятельная работа + 0.3 * Экзамен

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

• An, D., & Lin, L. (2019). Quantum linear system solver based on time-optimal adiabatic quantum computing and quantum approximate optimization algorithm. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsarx&AN=edsarx.1909.05500
• Emani, P. S., Warrell, J., Anticevic, A., Bekiranov, S., Gandal, M., McConnell, M. J., … Harrow, A. W. (2019). Quantum Computing at the Frontiers of Biological Sciences. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsarx&AN=edsarx.1911.07127
• Hassanien, A. E., Elhoseny, M., & Kacprzyk, J. (2018). Quantum Computing:An Environment for Intelligent Large Scale Real Application. Cham: Springer. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=1615992
• Mitchell, C. J. (2019). The impact of quantum computing on real-world security: A 5G case study. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsarx&AN=edsarx.1911.07583
• Raffaele Mauro. (2018). Quantum Computing. [N.p.]: Egea. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=2152987
• Roggero, A., Li, A. C. Y., Carlson, J., Gupta, R., & Perdue, G. N. (2019). Quantum Computing for Neutrino-nucleus Scattering. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsarx&AN=edsarx.1911.06368
• Takeuchi, Y., Morimae, T., & Tani, S. (2019). Sumcheck-based delegation of quantum computing to rational server. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsarx&AN=edsarx.1911.04734
• Wu, B.-H., Alexander, R. N., Liu, S., & Zhang, Z. (2019). Quantum-Computing Architecture based on Large-Scale Multi-Dimensional Continuous-Variable Cluster States in a Scalable Photonic Platform. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsarx&AN=edsarx.1909.05455

Рекомендуемая дополнительная литература

• Marvian, M., & Lloyd, S. (2019). Robust universal Hamiltonian quantum computing using two-body interactions. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsarx&AN=edsarx.1911.01354
• S. J. Gustafson, I. M. Sigal, Mathematical Concepts of Quantum Mechanics / Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011
• Sakkaris, P., & Sudhakaran, R. (2019). A Multilayer Network Approach to Quantum Computing. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsarx&AN=edsarx.1909.09863