Kvantum-informatika és kommunikáció féléves feladatok (2010/2011, tavasz) 1. Ön egy informatikus öregtalálkozón vesz részt, amelyen felkérik, hogy beszéljen az egyik kedvenc területéről. Mutassa be a szakmai hallgatóságnak, hogy mi a kvantum kutatás aktuális helyzete a világon! (Javasolt kérdések: Mennyi pénzt fordítanak rá? Hol foglalkoznak vele? Milyen témákkal foglalkoznak? Milyen implementációk vannak?) 2. Ön egy banknál dolgozik, mint IT vezető. Tájékoztassa a bank menedzsmentjét arról, hogy egy nemzetbiztonsági jelentés szerint magyar kutatók sikeresen megvalósították a kvantum alapú RSA-törést, és ez problémát jelent a banki tranzakciók biztonságára. (Javasolt kérdések: Mi az az RSA? Klasszikus törések? Mi az a kvantum alapú RSA-törés? Érzékeltesse a kvantum alapú RSA-törések sebességét!) 3. Önt felkérik a következő Simonyi Károly konferenciára előadónak, és előadásának címe (amelyet a szervezők javasolnak Önnek): Kvantum algoritmusok használata a távközlésben 2011-2015 között. (Javasolt témák: Mutassa be, jelenleg milyen kvantum algoritmusok érdekesek a távközlés számára. Mutassa be, hogy melyek a fő kutatási/fejlesztési irányvonalak, a következő öt esztendőre koncentrálva.) 4. Ön egy kvantuminformatikával foglalkozó magyar K+F (kutatás+fejlesztés) cégnél dolgozik, és kutatási pályázatot nyújt be egy állami pályázatra egy kvantumkereső számítógép prototípusának elkészítésére. Versenytársainál dolgozó informátoraitól értesül, hogy több versenytársa is hasonló témájú pályázatot kíván benyújtani, és azt is tudja, hogy a pályázat bírálói csak egy nyertest fognak hirdetni. (Mutassa be a kvantumkeresés elméletét és jelenlegi (gyakorlati) állapotát a világon (implementáció)! Mutassa be a kvantumkeresés előnyeit olyan példákon keresztül, amelyet a versenytársai még biztosan nem alkalmaztak (feltételezheti, hogy minden versenytársa hallgatta a BME-n futó Kvantuminformatika és kommunikáció c. tárgyat).) 5. Önt a Érdeklődő fiatalok rendezvénysorozat keretében felkérik előadás tartására egy vidéki nagyvárosban. Előadásának címéül Kvantuminformatika és kvantumkutatás Magyarországon választja. (Javasolt témák: Mi a kvantuminformatikával foglalkozó kutatás helyzete ma Magyarországon? Milyen lehetőségei vannak?) 6. Egy nemzetközi pályázat keretében két ingyenjegyet hirdetnek az első magánűrrepülőgép,a Virgin Galactic útjára. Mivel kedvese rajong az űrutazásért, de 200.000 dollárt nem szívesen fizetne ki, ezért úgy dönt, indul a 1
pályázaton. A pályázóktól azt várják el, hogy foglalják össze innovatív gondolataikat arról, hogyan alkalmazható a kvantum kommunikáció az űrkutatásban. (Javasolt témák: Hogyan alkalmazzák jelenleg az űrkutatásban a kvantum alapú kommunikációt? Milyen további alkalmazási lehetőségei vannak? Ismertessen egy konkrét lehetőséget!) 7. Kvantum Turing gép működése, szimulációja Kvantum automata modelljének ismertetése Összehasonlítás klasszikus Turing géppel Kvantum Turing gép előnyei Programozása, működésének szimulációja 8. Kvantum Monty Hall probléma Probléma megfogalmazása Kvantumos és klasszikus megoldás összehasonlítása Kvantumos megoldás matematikai igazolása, 9. Kvantum-kódolástechnika Kvantum kommunikációra épülő rendszerekben hogyan valósítható meg a hatékony forráskódolás? (Nem titkosítás) Milyen kódolási rendszerek léteznek kvantum környezetben? Hogyan kódolható egy hagyományos szimbólum kvantumrendszerekben? Milyen hatékonysággal realizálhatóak az egyes kódolási technikák? Összehasonlítás klasszikus rendszerekkel 10. Kvantum-hibajavítási módszerek vizsgálata A kvantum hibajavítási technikák, 5, 7, 9 kvantumbites kódrendszer, stabilizátor kódolás Összehasonlítás klasszikus rendszerekkel, 11. Kvantumkriptográfia működésének szimulációja Kvantum-titkosító protokollok modellezése elemi kvantumáramkörök segítségével 12. Kvantumkriptográfia támadási lehetőségei Támadások működésének leírása Hatékonyságuk matematikai és információelméleti igazolása Támadások szimulációja elemi kvantumáramkörökkel 13. Publikus kulcsú kvantum-titkosítás és kvantum-hitelesítés Aszimmetrikus módszerek kiváltása kvantumrendszerekben Kvantumállapotok hitelesítése (összefüggés a kvantumkriptográfiával) Verifikáció és kvantum-másolásvédelem (verifikáció kvantumállapotok alapján, pl. kvantum smart kártya, újfajta kvantumpénz kidolgozása). 2
Feltörési módszerek 14. Kvantum-Fourier transzformáció alkalmazása Algoritmus működésének szimulációja Alkalmazása RSA kód feltörésére 15. Kvantumkeresés alkalmazása Algoritmus működésének szimulációja Alkalmazása RSA kód feltörésére 16. Kvantum-mesterséges intelligencia Kvantumrendszerek taníthatóságának vizsgálata Kvantum-tanulás kiaknázási lehetőségei Kvantum-keresés implementálásával elérhető eredmények a tanulási folyamatokban A hagyományos tanulási algoritmusok alternatívája (pl. megerősítéses tanulásra épülő routing, járművek intelligens vezérlése, stb). 17. Kvantum-számítógép hálózatok (Kvantum-internet): Kvantum számítógép hálózatok együttműködése Kvantum-kommunikáció alapú internet működési elvének összefoglalása Klasszikus és kvantumos rendszerek közti kommunikáció, együttműködés megteremtése A kvantumcsatorna használatának előnyei hagyományos elemek között Adathordozók hitelesítése Másolhatatlan adathordozók megvalósítása ill. azok hitelesítése a már kiépített optikai rendszerekkel A kvantum internet hagyományos elemek bevonását is lehetővé teszi, - hogyan szervezhető meg hatékonyan a heterogén hálózat működése? 18. Kvantum-internet kommunikációs technológiák Kvantumteleportáció felhasználása titkos kvantum-kommunikáció megvalósítására Szupersűrűségű tömörítésre épülő kommunikációs protokoll kidolgozása, kvantumhálózat szimulációval 19. Kvantum számítógép architektúrák Kvantumszámítógépekben alkalmazható kvantum-cpu típusok A kvantum-cpu-k teljesítményanalízise Összehasonlítás a jelenlegi architektúrákkal Miben hasonlítanak, mely elemek alkalmazhatóak kvantumrendszerekben is? Kvantum-számítógépek programozása, kvantum-architektúrák vizsgálata, teljesítményelemzése 3
20. Kvantum-irányítástechnika Kvantummechanikai eredmények felhasználása az irányítástechnikában Elméleti háttér ismertetése (miben más, ha egy rendszert kvantum-alapon irányítunk) A meglévő klasszikus rendszerek felváltása kvantumelméleti eredmények felhasználásával, lehetséges gyakorlati megvalósítások bemutatása (pl. hagyományos rendszerek irányítása és kontrollálása kvantumrendszerekkel) 21. Kvantum-számításelmélet A hagyományos számításelméleti eredmények felülvizsgálata a kvantumrendszerek megjelenésével Halmazok átrendeződésének vizsgálata (P, NP probléma, stb) További elméleti eredmények (pl. kvantumszámítógépek alkalmazása gráfelméleti problémákban). 22. Kvantum-formális módszerek A hagyományos formális módszerek nem alkalmazhatóak kvantum rendszerekben Milyen módszerekkel modellezhető a kvantumrendszerek működése, illetve hogyan ellenőrizhető a kvantumrendszerek működésének helyessége? 23. Kvantum-szoftverek A jövőben a hagyományos szoftverek helyett kvantum-szoftvereket alkalmazunk majd, amelyek alapját az egyirányú kvantum-függvények jelentik? Matematikai háttér vizsgálata Lehetséges gyakorlati alkalmazások: kvantumpénz, kvantum-smart kártya, stb. 24. Kvantumszámítógépek programozása Milyen programozási nyelvek léteznek kvantumszámítógépeken? Lehetséges programnyelvek áttekintése, feladatok kidolgozása Hogyan és milyen hatékonysággal programozhatóak a kvantumszámítógépek? 25. Kvantum-alakzatfelismerés Alakzatfelismerés kvantumszámítógépekkel Kvantumos megoldás előnyei, összehasonlítás klasszikus rendszerek hatékonyságával 26. Kvantum-jelfeldolgozás A kvantum-kommunikáció fizikai szintjének tárgyalása 4
Milyen lehetőségek léteznek kvantumbitek megvalósítására, hogyan manipulálhatóak a hordozójelek, stb. 27. Mobil kvantumkommunikáció és telekommunikáció Mozgó csomópontok kommunikációja kvantum alapon Megvalósíthatósági szempontok, előnyök, hátrányok, stb. 28. Kvantumalgoritmusok gyakorlati megvalósítása Fizikai implementációk tulajdonságainak összehasonlítása, Kiválasztott megvalósítás részletes bemutatása Előnyök, hátrányok 29. Kvantum-processzorok fizikai implementációi Fizikai kvantum-cpu megvalósítások összefoglalása Megvalósítások gyakorlati problémái, Költségek, hatékonyság Adott kvantum-cpu típus kiválasztása, működésének részletes ismertetése 30. Kvantum-számítógéphálózatok fizikai implementációja Kvantum-számítógéphálózatok megvalósításának gyakorlati kérdései Jelenlegi fejlesztések összefoglalása Előnyök, hátrányok 5