Kvantum informatika és kommunikáció 2018 tavasz Motivációk + Admin
Elérhetőségek Imre Sándor, Bacsárdi László (SoE) BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék IB 121, IB113 quant-course@mcl.hu 463 3261 vagy 463 3227 Infók: http://www.mcl.hu/quantum//courses.html 2018.02.08. 2
Segédanyagok (1) Segédanyagok: a tantárgy honlapján az előadás fóliák, ezek sorvezetők, tanuláshoz nem elegendők! a tankönyvek jók és érthetőek; a diák az órai anyag átismétlésére jók Könyvek: kölcsönözhető a könyvtárból. 2018.02.08. 3
Segédanyagok (2) Bevezetés a kvantum-informatikába (12 publikus felvétel) http://videotorium.hu/hu/search/any/bevezet%c3%a9s%20a%20k vantum-informatik%c3%a1ba 2018.02.08. 4
Kapcsolódó tárgyak BMETE155206: Kvantumszámítógépek fizikai alapjai Apagyi Barnabás 2018.02.08. 5
Tanórák CS: 12.15-14.00 (QBF11); Kezdés???? Szünetek: III.15., IV. 5. Amennyiben az óra nem a megszokott helyen lenne, emailt küldünk a Neptunon keresztül. 2018.02.08. 6
Félévközi számonkérés 1 Nagyházi 1-3 fős csoportokban Feladatkiadás: február 15. Választás: március 8. Beadási határidő: április. 26. http://www.mcl.hu/quantum//courses.html 3 db. kiszh: 03.22 és 04.26 és 05.17 az órán. Osztályzat: 0.2 0.4 Pótlás: megbeszéljük Az órán feladott apróbb feladatok megoldásával túró rudit és egyéb érdemeket lehet szerezni! Beváltás az utolsó órán. Ha valaki a NHF alapján TDK-ázna, bátran szóljon! 2018.02.08. 7
Házi feladat Feladatlistából választás http://www.mcl.hu/quantum//courses.html Saját feladatötlet Kvantumvideo: https://www.youtube.com/watch?v=hyu07x8vapi&feature=y outu.be https://youtu.be/ip21gx05ium https://www.youtube.com/playlist?list=plcx9_fkbjxwsjhabb EqCp9Czi-3Swqpal 2018.02.08. 8
Labormérés Mérésen való részvételi lehetőség: egyeztetés alatt!!!! Mérések: Kvantumbitek és teleportálás Kvantumradír és társai Mérésre jelentkezés: weben, a tantárgyi hirdetményeknél (hamarosan!) 2018.02.08. 9
Gyárlátogatás MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont http://wigner.mta.hu/ 2018.02.08. 10
Túl a tárgyon Kvantuminformatikai hírek qnews@ feliratkozás: quant-course@mcl.hu Kvantumkommunikációs tudáskör Csatlakozási lehetőség: quant-course@mcl.hu FACEBOOK https://www.facebook.com/kvantumbit/?fref=ts 2018.02.08. 11
Ki, honnan jött? Kezeket fel! Villamos? Info? Másik BME kar? Másik egyetem? Másik galaxis? Ki hallgatott már kvantum informatikáról és/vagy kommunikációról szóló tantárgyat, kurzust? 2018.02.08. 12
Mit kell megtanulni? (mit fogok visszakérdezni) Alapelvek és alapfogalmak: Pl. posztulátumok mérnöki értelmezésben, H kapu hatása klasszikus bemenetre, stb. Összefüggések, vélt és valós hasonlóságok: Pl. Grover-féle adatbázis keresés RSA feltörésre is használható. A működés logikája: Pl. A kvantumos mérés gyakorlatilag megegyezik a tüskés pikó hímek rivalizálásával (nőstényhozzáférésével). 2018.02.08. 13
Kérdezzenek!!!! A kérdés típusa Értelmezés buta remek ritka szemét H azt hiszi nem tudja, mert lusta O tudja H nem tudja O tudja H nem tudja O nem tudja H tudja, hogy O nem tudja O nem tudja jegy +++ jegy --- 2018.02.08. 14
Egy fólia a múltból Aki nem jár be órára, azt nem ismerem meg, és így nem tudok könnyű kérdéseket feltenni a vizsgán. Azért jobb, ha bejárnak 2018.02.08. 15
Érzelmi görbe a félév során log(hangulat) Irány az Alfa Centauri! Pofonok Hát ez tök jó! Szép az élet domb! normál Ugye itt viccelnek? Hoppá! Ebben lehet valami. HF árok ZH szakadékok t A teljes képtelenség völgye 2018.02.08. 16
Túrórudi verseny Páros/páratlan???? Bob Alíz Éva 0; 0.5; 1; 1.5 0; 0.5; 1; 1.5 0; 0.5; 1; 1.5 0; 1; 2; 3; 4 NHF kiváltható egy frappáns versenyfeladat kiagyalásával!!!!! 2018.02.08. 17
Motivációk If that turns out to be true, I'll quit physics. Max von Laue, Nobel Laureate (1914)
Erithacus rubecula azaz vörösbegy https://youtu.be/vrlza4ccl-u 2018.02.08. 19
Vörösbegy A legtöbb madár a nap állása, csillagok vagy tereptárgyak alapján tájékozódik. De nem így a vörösbegy! A Föld mágneses mezeje gyengeségénél fogva nem képes kémiai folyamatokhoz energiát biztosítani. A Föld mágneses mezejének 3000-ed részének változása is befolyásolja a madarak repülési irányát A vörösbegy retinájában létezik egy fehérje, a kriptokróm, ami fényérzékeny. A kriptokrómon belül egy elektronpárban kvantum-összefonódás jön létre a beérkező fény hatására. Ahogy repül a vörösbegy, a Föld mágneses mezejének finom változásai eltéríthetik az elektronok kvantum-állapotát (spinjét), ami közvetve befolyásolja a madarak szemében lévő kriptokróm molekulák kémiai tulajdonságait. Ha letakarják a szemét, akkor eltéved, tehát "látja" a mágneses teret, pontosabban annak Földfelszínnel bezárt szögét, azaz az erővonalak sűrűségét. 2018.02.08. 20
Egy egyszerű kérdés C, B, A, E t 2 t 14 t = 0.3 t 6 t 20 Alma 2018.02.08. 21
Egy egyszerű kérdés C, B, A, E 0.000000000000001% p+,e-,n 0.999999999999999% semmi t 2 t 14 t =2017.IX. 4. t = 0 t 6 t 20 Alma 2018.02.08. 22
Mit jelent a 0.000000000000001% p+,e-,n Ha az atommag diónyi méretű, akkor az elektronok porszemek es 1 km sugarú gömbön belül keringenek. Minden más ezen belül SEMMI! elektron 2018.02.08. 23
Egy jól ismert találmány életciklusa "It takes a thousand men to invent a telegraph, or a steam engine, or a phonograph, or a photograph, or a telephone, or any other Important thing and the last man gets the credit and we forget the others. He added his little mite that is all he did. Mark Twain Heron s ball about 100 B.C. James Watt and his steam engine, 1765 Copyright 2005 John Wiley & Sons Ltd. 2018.02.08. 24
Egy jól ismert találmány életciklusa Robert Fulton and his ship Clermont, 1807 Robert Stephenson and his Rocket, 1829 2018.02.08. 25
Egy jól ismert találmány életciklusa Titanic and her engines, 1912 Nota bene: Eastland katasztrófa! 2018.02.08. 26
Eastland szindróma 2018.02.08. 27
2018.02.08. 28
Egy másik analógia Klasszikus PC Kvantum PC 2018.02.08. 29
Első túrórudis kérdés - Mi ez? 2018.02.08. 30
Moore törvénye 1m 1nm Minden 18 hónapban megduplázódik a mikroprocesszorok sebessége KISEBB GYORSABB 2018.02.08. 31
Trendek "Man is the best computer we can put aboard a spacecraft... and the only one that can be mass-produced with unskilled labour. Wernher von Braun Moore-törvény: The number of transistors per chip roughly doubles every 18-24 months. Rock-törvény (gyártó szemszögéből): The cost of capital equipment to build semiconductors will double every four years. Machrone-törvény (felhasználó szemszögéből): The machine you wants always costs $5000. 2018.02.08. 32
Moore törvénye De meddig? 2018.02.08. 33
Kísérletezzünk! "There are two possible outcomes: If the result confirms the hypothesis, then you ve made a measurement. If the result is contrary to the hypothesis, then you ve made a discovery. Enrico Fermi
Játszunk pénzfeldobósat Fej = 0 Írás = 1 Pumukli 0 p 00 0 1 p 10 p 01 p 11 1 2018.02.08. 35
Játszunk két pénzt feldobósat P 00 = p 00 p 00 + p 01 p 10 = 0.5 0 0 p 00 0 p 00 0 p 10 p 01 p 10 p 01 1 p 11 1 p 11 1 2018.02.08. 36
Kvantum pénzfeldobó 1 p = 0.5 0 0 1 p = 0.5 2018.02.08. 37
Mit várunk? 1 0 0 1 2018.02.08. 38
Valami nagyon nem stimmel 1 0 Mit p 00 történik? p 00 + P 00 = p 01 p 10 = 0! 0 1 NOT kapu 2018.02.08. 39
Magyarázatok "Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it." Niels Bohr
Mesében - Az oszthatatlan foton egyszerre két úton haladt 2018.02.08. 41
Rajzban
Versben - Szabó Lőrinc: Dzsuang-Dszi Kétezer évvel ezelőtt Dsuang Dszi, a mester, egy lepkére mutatott. Álmomban mondta, ez a lepke voltam és most egy kicsit zavarban vagyok. Lepke, mesélte, igen, lepke voltam, s a lepke vigan táncolt a napon, és nem is sejtette, hogy ő Dsuang Dszi És felébredtem És most nem tudom, most nem tudom, folytatta eltűnődve, mi az igazság, melyik lehetek: hogy Dsuang Dszi álmodta-e a lepkét vagy a lepke álmodik engemet? álma Én jót nevettem: Ne tréfálj, Dsuang Dszi! Ki volnál? Te vagy: Dsuang Dszi! Te hát! Ő mosolygott: Az álombeli lepke épp így hitte a maga igazát! Ő mosolygott, én vállat vontam. Aztán valami mégis megborzongatott, kétezer évig töprengtem azóta, de egyre bizonytalanabb vagyok, és most már azt hiszem, hogy nincs igazság, már azt, hogy minden kép és költemény, azt, hogy Dsuang Dszi álmodja a lepkét, a lepke őt és mindhármunkat én https://www.youtube.com/watch?v=oucy-8c1pca 2018.02.08. 43
Vonjuk le a következtetéseket! "Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it." Niels Bohr
Determinisztikus Turing-féle működés ahogy Newton elképzelte a Világot bölcsi ovi ált. isk. gimn. egyetem dokt. isk. Közbenső állapotok bemenet kimenet 2018.02.08. 45
Valószínűségi Turing-féle működés - ahogy Önök elképzelik a Világot p 00 p 00 p01 p 10 bemenet lehetséges kimenetek 2018.02.08. 46
Kvantum működés és ahogy a Világ valójában működik a -1/2-1/2 00 a 00 a 1/2 1/2 01 a 10 2018.02.08. 47
Fordítsuk komolyra a szót! Ki ő? Túrórudi! Bármilyen logikai függvényt össze tudok rakni logikai kapukból. Hát Ti? 2018.02.08. 48
Fordítsuk komolyra a szót! Bármilyen logikai függvényt össze tudok rakni logikai kapukból. Hát Ti? 2018.02.08. 49
Fordítsuk komolyra a szót! Már hogyne tudnánk! H j d dt 2018.02.08. 50
Teleportálás 2018.02.08. 51
Játszunk titkosügynökösdit! 2018.02.08. 52
Szimmetrikus titkosítás Szimmetrikus kulcsú titkosítás Egyforma kulcsok mindkét oldalon Abszolút biztonságos, ha bizonyos előírásokat betartunk Gond, hogy a kulcsot miként juttassuk el a túloldalra???? 2018.02.08. 53
Nyílvános kulcsú titkosítás Nyílvános kulcsú titkosítás nyilvános titkosítókulcs, titkos fejtőkulcs kulcsok előállítása: két nagy prímszám szorzatát felhasználva feltörés: a törzstényezők meghatározása A mai napig nem sikerült bebizonyítani, hogy nincs hatékony algoritmus a feltörésre. Mindenesetre eddig nem sikerült ilyen klasszikus algoritmust találni. De kvantumosat IGEN! 2018.02.08. 54
Az RSA lényege Nyílt kulcsú titkosítás nyilvános titkosítókulcs titkos fejtőkulcs kulcsok előállítása: két nagy prímszám szorzatát felhasználva feltörés: a törzstényezők meghatározása A mai napig nem sikerült bebizonyítani, hogy nincs hatékony algoritmus a feltörésre. Mindenesetre eddig nem sikerült ilyen klasszikus algoritmust találni. EZIDÁIG... 2018.02.08. 55
RSA feltörő kvantum áramkör 2018.02.08. 56
Shor-algotitmus és az RSA feltörése O O log 3 ( N ) 152 000 év 1 sec 2018.02.08. 57
152 000 év 2018.02.08. 58
Shor-algotitmus és az RSA feltörése O O log 3 ( N ) 152 000 év 1 sec 2018.02.08. 59
Ahogy ma faktorizálunk 15=5 3 2018.02.08. 60
Ahogy ma mások kulcsszétosztanak 2018.02.08. 61
Ahogy mi kulcsszétosztunk - 2014
Ahogy mi kulcsszétosztunk 2015/2016
Keresés: Grover-algoritmus Aki keres, talál! De nem mindegy mennyi idő alatt. Rendezetlen adatbázis N különböző elemmel. Klasszikusan N kérés szükséges. Ugyanakkor kvantum módon: O O N x =? 2018.02.08. 64
Ahogy ma adatbázis keresünk Miért örülünk ennek? Informatika: pl. adatbázis kezelés Távközlés: pl. útvonalválasztás, jelfeldolgozás 2018.02.08. 65
Lazításként egy kis infoelmélet
Egy egyszerű csatorna modell (mintha már láttuk volna valahol ) Klasszikus csatorna p ij =½ C=1-H(p)=0 0 C flip Csak redundanciával p tartható kordában a D hibázás valószínűsége 000 0/1 Kvantum csatorna p ij =½ C=1 A p qflip 0 φ > 0 B Bizonyos esetekben egyszerű kódolással HIBAMENTESSÉ tehető. 2018.02.08. 67
OK, ezt még lenyeltük, de ilyen állat nincs: 2 db. külön-külön C = 0 kapacitású csatorna ügyesen összekapcsolva mégis képes információt átvinni! 2018.02.08. 68
Hírek a nagyvilágból
IBM kvantum számítógép hozzáférés! 2016: 5 qubit https://quantumexperience.ng.bluemix.net/ 2017: 16 qubit IBM Q Awards: https://qx-awards.mybluemix.net/ Újdonság 2018!!! 2018.02.08. 70
Microsoft Quantum Developement Kit Kvantum programozási nyelv: Q# Újdonság 2018!!! https://docs.microsoft.com/enus/quantum/index?view=qsharp-preview 2018.02.08. 71
INTEL Újdonság 2018!!! Intel Corporation s 49-qubit quantum computing test chip, code-named Tangle Lake, is unveiled at 2018 CES in Las Vegas. https://www.extremetech.com/computing/261734-intelunveils-new-quantum-computer-declares-quantumbreakthrough 2018.02.08. 72
http://qurope.eu/system/files/u7/93056_quantum%20manifesto_web.pdf 2018.02.08. 73
HunQuTech projekt 2018.02.08. 74
Ne éljenek klasszikusan! Az élet kerek mivoltához nélkülözhetetlen a szuperpozíció. Imre Sándor 2010 2018.02.08. 75
Egy kis olvasnivaló az óra végére és a félév elejére "Amikor odaértem hozzá, egy szivárványt bámult. Az arcán látszott, hogy erősen koncentrál. Mintha még sosem látott volna szivárványt. Vagy mintha ez lenne életében az utolsó. Halkan megszólítottam. - Jó napot, professzor úr. - Nézze csak: szivárvány - szólt vissza, de nem nézett rám. Néztem vele a szivárványt. Nagyon hat az emberre, ha megáll, és nézi. Akkoriban nemigen csináltam ilyesmit. - Nem tudja, ki adott először igazi magyarázatot az eredetére? - kíváncsiskodtam. - Descartes - válaszolta. Majd kis idő múlva felém fordult. - És mit gondol, a szivárványnak melyik feltűnő tulajdonsága ihlette a Descartes-féle matematikai elemzést? - Hát, a szivárvány voltaképpen egy kúpszelet; a színkép színeiben játszó ív, és akkor rajzolódik ki, ha a napfény a szemlélő háta mögül esik a vízcseppekre. - És? - Gondolom, az a felismerés késztette elemzésre, hogy a probléma egyetlen esőcsepp és a geometriai körülmények tekintetbevételével megragadható. - Elfeledkezik ennek a jelenségnek az egyik legfontosabb vonásáról - figyelmeztetett. - Oké, feladom. Ön szerint mi adott ihletet Descartes elemzéséhez? - Szerintem az, hogy szépnek tartotta a szivárványt..." 2018.02.08. 76