Bevezetés a kvantum informatikába és kommunikációba féléves házi feladat (2015/2016, tavasz) A házi feladatokkal kapcsolatos követelményekről Kapcsolódó határidők: választás: 5. oktatási hét csütörtöki napjáig A tantárgy honlapján megadott link segítségével. beadás: a 11. oktatási hét csütörtöki napjáig (e-mailben, a quant-course@mcl.hu címre küldött levélben) A házi feladatokkal kapcsolatos előírások: - egy fő esetén a minimális terjedelem 10 oldal - három főből álló csapat esetén a minimális terjedelem 25 oldal A házi feladatokkal kapcsolatban kérés esetén konzultációt biztosítunk. A házi feladathoz biztosítunk egy sablont Wordben, amely a tantárgy honlapjáról letölthető. Az alábbi feladatlista mindegyik pontja egy-egy témakört nevez meg, majd ad néhány támpontot az adott témakörön belül - az elvégzendő részletes feladatok egyeztetésre kerülnek a feladat választásakor. Az 1-19. számú feladatok csak egyénileg oldhatóak meg. A 20-47. számú feladatok egyénileg illetve csapatban is megoldhatóak, az elvégzendő munka mennyisége a résztvevő emberek számától függ. 1
Csak egyénileg választható feladatok 1. Kvantumkommunikációs közösségi könyv: fiber-based QKD Mutassa be a vezetékes kvantumkulcsszétosztás aktuális helyzetét (hol, ki, mivel) egy olyan anyagban, amely felhasználható egy kvantumkommunikációs közösségi könyv számára. (Ez a könyv majd a weben lesz elérhető, így szöveg mellett képeket, videókat és linkeket is nyugodtan tartalmazhat az anyag. Készülhet Wordben vagy HTML-ben is.) 2. Kvantumkommunikációs közösségi könyv: free-space QKD Mutassa be a vezeték nélküli kvantumkulcsszétosztás aktuális helyzetét (hol, ki, mivel) egy olyan anyagban, amely felhasználható egy kvantumkommunikációs közösségi könyv számára. (Ez a könyv majd a weben lesz elérhető, így szöveg mellett képeket, videókat és linkeket is nyugodtan tartalmazhat az anyag. Készülhet Wordben vagy HTML-ben is.) 3. Kvantumkommunikációs közösségi könyv: QRND Mutassa be a kvantum-véletlenszám generátorok elméletét és aktuális helyzetét egy 4. Kvantumkommunikációs közösségi könyv: QPROG Mutassa be a kvantum programozási nyelvek elméletét és aktuális helyzetét egy 5. Kvantumkommunikációs közösségi könyv: QOS Mutassa be a kvantum operációs rendszerek elméletét és aktuális helyzetét egy 6. Kvantumkommunikációs közösségi könyv: PQRYPTO Mutassa be a poszt kvantuminformatika fogalmát és aktuális helyzetét egy 7. Kvantumkommunikációs közösségi könyv: Q-company Mutasson be kvantuminformatikával foglalkozó cégeket egy kvantumkommunikációs közösségi könyv számára. (Ez a könyv majd a weben lesz elérhető, így szöveg mellett képeket, videókat és linkeket is nyugodtan tartalmazhat az anyag. Készülhet Wordben vagy HTML-ben is.) 8. Kvantumkommunikációs közösségi könyv: D-Wave Two Mutassa be a D-Wave Two kvantumszámítógépet egy kvantumkommunikációs közösségi könyv számára. (Ez a könyv majd a weben lesz elérhető, így szöveg mellett képeket, videókat és linkeket is nyugodtan tartalmazhat az anyag. Készülhet Wordben vagy HTML-ben is.) 2
9. Kvantumkommunikációs közösségi könyv: QComputers Mutasson be kvantumszámítógéppel kapcsolatos kísérleti fejlesztéseket egy A D-Wave nem szerepelhet az anyagban, lévén az külön feladat. 10. Kvantumkommunikációs közösségi könyv: Nobel Ismertesse a 2012-es fizikai Nobel-díj nyerteseinek munkásságát és mutassa be, hogyan viszik előrébb a kvantuminformatikai fejlesztéseket. Mindezt egy kvantumkommunikációs közösségi könyv számára fogalmazva tegye meg. (Ez a könyv majd a weben lesz elérhető, így szöveg mellett képeket, videókat és linkeket is nyugodtan tartalmazhat az 11. Kvantumkommunikációs közösségi könyv: Qrepeater Mutassa be a quantum repeaterek (kvantum jelismétlők) elméletét és fejlesztésük aktuális helyzetét egy kvantumkommunikációs közösségi könyv számára. (Ez a könyv majd a weben lesz elérhető, így szöveg mellett képeket, videókat és linkeket is nyugodtan tartalmazhat az 12. Kvantumkommunikációs közösségi könyv: QResearch Mutassa be, milyen kutatóintézetek foglalkoznak Európában és a világon kvantuminformatikai fejlesztésekkel, mindezt egy kvantumkommunikációs közösségi könyv számára. fogalmazva tegye meg (Legalább 15 intézet szerepeljen a bemutatásban.) (Ez a könyv majd a weben lesz elérhető, így szöveg mellett képeket, videókat és linkeket is nyugodtan tartalmazhat az anyag. Készülhet Wordben vagy HTML-ben is.) 13. Kvantumkommunikációs közösségi könyv: QRSA Mutassa be multimédiás tartalmak felhasználásával egy kvantumkommunikációs közösségi könyv számára, hol tart most az RSA feltörése. (Ez a könyv majd a weben lesz 3
14. 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?) 15. 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!) 16. Önt felkérik a következő Simonyi Károly konferenciára előadónak, és előadásának címe (amelyet a szervezők javasolnak Önnek): Kvantum algoritmusok használata a távközlésben 2017-2022 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.) 17. 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 Bevezetés a kvantum-informatikába és kommunikációba c. tárgyat).) 18. 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?) 19. Egy nemzetközi pályázat keretében két ingyenjegyet hirdetnek az első magánűrutazásra, amelyet a Space Ship Two fedélzetén biztosít a Virgin Galactic cég. Mivel kedvese rajong az űrutazásért, de 200.000 dollárt nem szívesen fizetne ki, ezért úgy dönt, indul a 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!) 4
Egyénileg és csapatban is választható feladatok 20. Kvantum Turing gép működése, szimulációja Kvantum automata modelljének ismertetése Összehasonlítás klasszikus Turing géppel Kvantum Turing gép előnyei Programozása, működésének szimulációja 21. Kvantum Monty Hall probléma Probléma megfogalmazása Kvantumos és klasszikus megoldás összehasonlítása Kvantumos megoldás matematikai igazolása, 22. Első generációs kvantum-kulcsszétosztó protokollok Első generációs protokollok ismertetése (a BB84 és a B92 megoldásokon túlmenően például E91, Gisin, S09, S13) 23. Második generációs kvantum-kulcsszétosztó protokollok Második generációs protokollok ismertetése 24. Kvantumkommunikáció műholdakon Kvantum protokollok alkalmazásának lehetőségei és korlátai műholdas kommunikációban 25. Kvantumkriptográfia működésének szimulációja I. Kvantum-titkosító protokollok modellezése elemi kvantumáramkörök segítségével 26. Kvantumkriptográfia működésének szimulációja II. Lehetséges gyakorlati alkalmazások: kvantumpénz, kvantum-smart kártya, stb. 27. Kvantum-Fourier transzformáció alkalmazása Algoritmus működésének szimulációja Alkalmazása RSA kód feltörésére 28. Kvantumkeresés alkalmazása Algoritmus működésének szimulációja Alkalmazása RSA kód feltörésére 5
29. 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). 30. Kvantum-számítógép hálózatok (Kvantum-internet) I. Kvantum számítógép hálózatok együttműködése Kvantum-kommunikáció alapú internet működési elvének összefoglalása Klasszikus és kvantumos rendszerek közti kommunikáció, együttműködés megteremtése 31. Kvantum-számítógép hálózatok (Kvantum-internet) II. Adathordozók hitelesítése Másolhatatlan adathordozók megvalósítása ill. azok hitelesítése a már kiépített optikai rendszerekkel 32. Kvantum-internet kommunikációs technológiák I. Kvantumteleportáció felhasználása titkos kvantum-kommunikáció megvalósítására 33. Kvantum-internet kommunikációs technológiák II. Többszereplős szupersűrűségű tömörítésre épülő kommunikációs protokoll kidolgozása, kvantumhálózat szimulációval 34. Kvantum-internet kommunikációs technológiák III. Milyen módon lehet távoli pontok között összefonódást kialakítani? Entanglement swapping bemutatása 35. Kvantum számítógép architektúrák Kvantum-számítógépek programozása, kvantum-architektúrák vizsgálata, teljesítményelemzése 36. 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) 6
37. 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). 38. Kvantum-formális módszerek A hagyományos formális módszerek nem alkalmazhatóak kvantum rendszerekben Milyen módszerekkel modellezhető a kvantumrendszerek működése, illetve hogyan ellenőrizhető a kvantumrendszerek működésének helyessége? 39. Kvantum-szoftverek A jövőben a hagyományos szoftverek helyett kvantum-szoftvereket alkalmazunk majd, amelyek alapját az egyirányú kvantum-függvények jelentik? Matematikai háttér vizsgálata 40. Kvantumszámítógépek operációs rendszerei Kvantum alapú operációs rendszerek bemutatása Kapcsolódó programozási nyelvek bemutatása Matematikai háttér vizsgálata, kapcsolódó programok vizsgálata, szimuláció készítése 41. Kvantumszámítógépek programozása Milyen programozási nyelvek léteznek kvantumszámítógépeken? Lehetséges programnyelvek áttekintése, feladatok kidolgozása Hogyan és milyen hatékonysággal programozhatóak a kvantumszámítógépek? 42. Kvantum-alakzatfelismerés Alakzatfelismerés kvantumszámítógépekkel Kvantumos megoldás előnyei, összehasonlítás klasszikus rendszerek hatékonyságával 43. Kvantum-jelfeldolgozás A kvantum-kommunikáció fizikai szintjének tárgyalása Milyen lehetőségek léteznek kvantumbitek megvalósítására, hogyan manipulálhatóak a hordozójelek, stb. 44. Önszerveződő kvantumkommunikáció Önszerveződő csomópontok kommunikációja kvantum alapon Megvalósíthatósági szempontok, előnyök, hátrányok, stb. 45. Kvantumalgoritmusok gyakorlati megvalósítása Fizikai implementációk tulajdonságainak összehasonlítása, Kiválasztott megvalósítás részletes bemutatása Előnyök, hátrányok 7
46. Kvantum-processzorok fizikai implementációi Fizikai kvantum-cpu megvalósítások összefoglalása Megvalósítások gyakorlati problémái, Költségek, hatékonyság Adott kvantum-cpu típus kiválasztása, működésének részletes ismertetése 47. Kvantum-számítógéphálózatok fizikai implementációja Kvantum-számítógéphálózatok megvalósításának gyakorlati kérdései Jelenlegi fejlesztések összefoglalása Előnyök, hátrányok 8