Квантові комп'ютери
Спеціальність: Інформаційно-комунікаційні технології
Код дисципліни: 7.122.06.E.014
Кількість кредитів: 7.00
Кафедра: Прикладна математика
Лектор: д.ф.-м.н., проф. Маркович Богдан Михайлович
Семестр: 2 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Внаслідок вивчення навчальної дисципліни студент повинен
знати: логічний апарат квантових обчислень, можливості квантових обчислень, основні квантові алгоритми, вимоги до квантових комп'ютерів, квантові протоколи передавання інформації, квантове перетворення Фур'є, алгоритм Шора, алгоритм Гровера;
вміти: проводити квантові обчислення, реалізовувати основні квантові алгоритми, здійснювати квантове перетворення Фур'є.
Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування та розвиток у студентів компетентностей:
загальні компетентності:
ЗК1 – знання в області соціально-економічних наук, що сприяють розвитку загальної культури й соціалізації особистості, знання та використання етичних цінностей; розуміння причинно-наслідкових зв’язків розвитку суспільства; вміння використовувати їх в професійній та соціальній діяльності;
ЗК3 – уміння аналізувати і синтезувати отримані результати, приймати обґрунтовані рішення, продукувати нові ідеї в області професійної діяльності;
ЗК5 – уміння здійснювати пошук та аналізувати інформацію з різних джерел;
ЗК7 – мати навички розроблення та управління проектами;
ЗК8 – уміння ставити та розв’язувати задачі в області інформаційних технологій;
ЗК12 – уміння ефективно спілкуватися на професійному та соціальному рівнях;
ЗК13 – креативність, здатність до системного мислення;
ЗК14 – потенціал до подальшого навчання;
ЗК15 – відповідальність за якість виконуваної роботи;
фахові компетентності:
ФК3 – уміння застосовувати та інтегрувати знання і розуміння дисциплін інших спеціальностей;
ФК8 – вміння досліджувати проблеми та визначати обмеження зумовлені як впливом на суспільство та навколишнє середовище, так і на безпеку життєдіяльності.
Результати навчання: ЗН1 – знання та розуміння наукових та математичних принципів побудови та експлуатації програмно-інформаційних комплексів
ЗН2 – професійні знання в області загальної теорії систем, основ аналітичних, стохастичних та числових підходів до інформаційних технологій збору та зберігання інформації, алгоритмів та їх програмної реалізації при дослідженнях за допомогою обчислювального експерименту
ЗН3 – професійні знання та навики щодо збору даних, їх обробки та моделювання (в тому числі з використанням обчислювального експерименту)
ЗН4 – знання сучасного стану справ та новітніх технологій в IT-області
ЗН5 – здатність оцінювання впливу отриманих та рекомендованих рішень в суспільно-економічному, соціальному та екологічному контексті
УМ1 – застосовувати знання і розуміння для ідентифікації, формулювання і вирішення задач спеціальності, використовуючи відомі та створені нові методи
УМ3 – системно мислити та застосовувати творчі здібності до формування принципово нових ідей
УМ6 – здійснювати пошук інформації в різних джерелах для розв’язання задач спеціальності
УМ7 – ефективно працювати як індивідуально, так і у складі команди
УМ8 – поєднувати теорію і практику, а також приймати рішення та виробляти стратегію діяльності для вирішення завдань спеціальності з урахуванням загальнолюдських цінностей, суспільних, державних та виробничих інтересів
УМ9 – виконувати відповідні дослідження та застосовувати дослідницькі навички за професійною тематикою
УМ10 – оцінювати отримані результати та аргументовано захищати прийняті рішення
КОМ2 – здатність використання різноманітних методів, зокрема інформаційних технологій, для ефективного спілкування на професійному та соціальному рівнях
АіВ1 – здатність адаптуватись до нових ситуацій та приймати рішення
АіВ2 – здатність усвідомлювати необхідність навчання впродовж усього життя з метою поглиблення набутих та здобуття нових фахових знань
АіВ3 – здатність відповідально ставитись до виконуваної роботи та досягати поставленої мети з дотриманням вимог професійної етики
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: пререквізити:
• алгебра і геометрія,
• функціональний аналіз;
кореквізити:
—.
Короткий зміст навчальної програми: Навчальна дисципліна «Квантові комп’ютери» є складовою освітньо-професійної програми підготовки фахівців за першим рівнем вищої освіти «магістр» галузі знань 11– «Інформаційні технології» зі спеціальності 122 – «Комп’ютерні науки та інформаційні технології» за освітньою програмою «Інформаційно-комунікаційні технології». Дана дисципліна є обов’язковою. Викладається в 2-му семестрі 1-го курсу в обсязі – 210 год. (7 кредитів ECTS) зокрема: лекції – 45 год., практичні заняття – 15 год., самостійна робота – 150 год. У курсі передбачено 1 контрольна робота. Завершується дисципліна диференційованим заліком.
Навчальна дисципліна призначена для першого знайомства з новою та популярною областю досліджень, яка швидко розвивається, — теорією квантових комп’ютерів. Коротко розглянуто історію розвитку квантових обчислень. Введено логічний апарат квантових обчислень, розглянуто квантові протоколи передачі інформації, основи квантових обчислень. Наведено короткий опис можливих реалізацій квантових комп’ютерів.
Опис: 1. Вступ. Коротка історія розвитку квантових обчислень.
2. Логічний апарат квантових обчислень. Квантові біти (кубіти) та їх властивості. Однокубітні перетворення. Багатокубітні системи, їх опис за допомогою векторів гільбертового простору. Багатокубітне перетворення. Елементарні набори операторів. Особливості квантових обчислень.
3. Квантові протоколи передавання інформації. Щільне кодування. Квантова телепортація. Квантові протоколи передавання секретного ключа.
4. Квантові обчислення. Квантове перетворення Фур'є. Алгоритм Шора. Алгоритм Гровера. Корекція помилок в квантових обчисленнях.
5. Квантові комп'ютери. Вимоги до квантових комп'ютерів. Пристрій квантового комп'ютера на іонах в пастках. Інші можливі реалізації квантових комп'ютерів: рідинні і твердотільні квантові комп'ютери на ЯМР, комп'ютери на квантових точках.
Методи та критерії оцінювання: Передбачено диференційований залік.
Поточний контроль під час семестру передбачено у вигляді контрольної роботи та диференційованого заліка. Перелік орієнтовних питань контрольної роботи:
1. Бра- та кет-вектори. Оператори, унітарні оператори.
2. Кубіти і квантові гейти.
3. Оператори Адамара, Адамара-Уолша, NOT, CNOT, керованого обміну.
4. Квантовий паралелізм.
5. Квантові схеми.
6. Щільне кодування.
7. Квантова телепортація.
8. Протокол передавання ключа.
9. Квантове перетворення Фур'є.
10. Алгоритм Шора.
11. Алгоритм Гровера.
12. Декогеренція квантових станів.
13. Джерела помилок в квантових обчисленнях. Алгоритми корекції помилок.
14. Вимоги до квантових комп'ютерів.
15. Пристрій квантового комп'ютера на іонах в пастках.
Критерії оцінювання результатів навчання: Навчальна дисципліна, завершується семестровим контролем, форма якого передбачена навчальним планом із виставленням семестрової оцінки.
Семестрова оцінка складається із суми балів, передбачених на поточний контроль та екзаменаційний контроль. Цю інформацію викладач доводить студентам на першому занятті з навчальної дисципліни.
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. Kaye P., Laflamme R., Mosca M. An Introduction to Quantum Computing. Oxford University Press, 2007.
2. Китаев А., Шень А., Вялый М. Классические и квантовые вычисления. М.: МЦНМО, 1999.
3. Nielsen M. A., Chuang I. L. Quantum Computation and Quantum Infor¬ma-tion. Cambridge University Press, Cambridge, 2000.
4. Попов И. Ю. Квантовый компьютер и квантовые алгоритмы. Санкт-Петербург, ИТМО, 2007.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).