Bevezetés a kvantum informatikába és kommunikációba Féléves házi feladat (2013/2014. tavasz) A házi feladatokkal kapcsolatos követelményekről Kapcsolódó határidők: választás: 6. oktatási hét csütörtöki napjáig beadás: a 11. oktatási hét csütörtöki napjáig 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. 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 1-6. számú feladatok csak egyénileg oldhatóak meg. A 7-31. számú feladatok egyénileg, illetve csapatban is megoldhatóak, az elvégzendő munka mennyisége a résztvevő emberek számától függ. Egyénileg választható feladatok 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!) 1
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 Kvantum-informatika 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 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!) Egyénileg és csapatban is választható feladatok 7. Kvantumkommunikáció műholdakon Kvantum protokollok alkalmazásának lehetőségei és korlátai műholdas kommunikációban 2
8. Kvantum Turing gép működése, szimulációja Kvantum automata modelljének ismertetése Összehasonlítás klasszikus Turing géppel Kvantum Turing gép előnyei Programozása, működésének szimulációja 9. Kvantum Monty Hall probléma Probléma megfogalmazása Kvantumos és klasszikus megoldás összehasonlítása Kvantumos megoldás matematikai igazolása, 10. Kvantumkriptográfia működésének szimulációja I. Kvantum-titkosító protokollok modellezése elemi kvantumáramkörök segítségével 11. Kvantumkriptográfia működésének szimulációja II. Lehetséges gyakorlati alkalmazások: kvantumpénz, kvantum-smart kártya, stb. 12. Kvantum-Fourier transzformáció alkalmazása Algoritmus működésének szimulációja Alkalmazása RSA kód feltörésére 13. Kvantumkeresés alkalmazása Algoritmus működésének szimulációja Alkalmazása RSA kód feltörésére 14. 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). 15. Kvantum-számítógép hálózatok (Kvantum-internet) I. Kvantum számítógép hálózatok együttműködése Kvantum-kommunikáció alapú internet működési elvének összefoglalása 3
Klasszikus és kvantumos rendszerek közti kommunikáció, együttműködés megteremtése Szimuláció készítése 16. Kvantum-számítógép hálózatok (Kvantum-internet) II. Adathordozók hitelesítése Másolhatatlan adathordozók megvalósítása, hitelesítése a már kiépített optikai rendszerekkel 17. Kvantum-internet kommunikációs technológiák I. Kvantumteleportáció felhasználása titkos kvantum-kommunikáció megvalósítására 18. Kvantum-internet kommunikációs technológiák II. Többszereplős szupersűrűségű tömörítésre épülő kommunikációs protokoll kidolgozása, kvantumhálózat szimulációval 19. Kvantum számítógép architektúrák Kvantum-számítógépek programozása, kvantum-architektúrák vizsgálata, teljesítményelemzése 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 4
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 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 Milyen lehetőségek léteznek kvantumbitek megvalósítására, hogyan manipulálhatóak a hordozójelek, stb. 27. Önszerveződő kvantumkommunikáció Önszerveződő 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 5
Jelenlegi fejlesztések eredményei Előnyök, hátrányok 6