Přehled studia |
Přehled oborů |
Všechny skupiny předmětů |
Všechny předměty |
Seznam rolí |
Vysvětlivky
Návod
Webová stránka:
https://cw.fel.cvut.cz/wiki/courses/b0m36qua/start?animal=wiki
Anotace:
Práce na rozhraní fyziky a teoretické informatiky již dlouho vede k zásadním pokrokům vědy a techniky. Jednou z nejrychleji rostoucích oborů na tomto rozhraní je kvantové počítání, o kterém se spekuluje jako o jedné z možných převratných technologií. Nedávné experimenty ukazují, že i stávající hardware pro kvantové počítání naráží na hranice toho, co dokážeme simulovat klasicky, a obor se tak stává velmi zajímavý pro řadu finančních institucí a velkých průmyslových firem. Studium související fyziky a informatiky tak poskytuje nejen intelektuální uspokojení, ale i komerčně uplatnitelné znalosti.
Tento kurz studentům poskytne přehled oboru přístupný studentům bakalářských i navazujících magisterských programů v informatice, matematice a fyzice. Kurz představí některé ze základních konceptů jak teoreticky, tak prakticky. Teoretická část kurzu představí mj. kvantové počítání v kontrastu s klasickým počítačem jak na úrovni výpočetní složitosti, tak na úrovni algoritmů. Prakticky si studenti vyzkouší využití simulátorů kvantových počítačů i skutečných kvantových počítačů IBM dostupných on-line. Zvláštní důraz je kladen na problematiku zrychlení, které mohou kvantové počítače poskytnout.
Cíle studia:
Pochopení příležitostí a omezení kvantového počítání.
Obsah:
| 1. | | Proč studovat kvantové počítání? K čemu je dobré? Termíny "quantum supremacy" a "quantum advantage". Jak chápat tvrzení fy. Google o "quantum supremacy"? Jak obohacuje kvantové počítání vývoj klasických algoritmů? Přehled celosvětových aktivit ve kvantovém počítání. |
| 2. | | Úvod do kvantové mechaniky pro nefyziky. Postuláty kvantové mechaniky a Diracova notace (bra-ket). Unitární operátory a střední hodnoty. Evoluce kvantového stavu. Klasické bity a qubity. Blochova koule. Reversibilní operace a kvantové obvody. Příprava stavu a měření. |
| 3. | | Úvod do výpočetní složitosti kvantového počítání v kontrastu s klasickým počítáním. Klasické a kvantové Turingovy stroje. Klasické a kvantové obvody. Klasické třídy P, BPP, NP, PSPACE. Kvantové třídy BQP, QMA a PSPACE. |
| 4. | | Kvantové algoritmy jako učebnicová ukázka exponenciálního zrychlení (Deutsch-Joszův, Shorův, kvantová Fourierova transformace). |
| 5. | | Kvantové algoritmy a kvantové náhodné procházky. Klasické Monte Carlo simulace a kvantové náhrady Monte Carlo simulací. Aplikace ve finančních službách. |
| 6. | | Groverův algoritmus a dynamické programování v exponenciálním čase. |
| 7. | | Další směry vývoje kvantového počítání. Adiabatické počítání. Odhad fáze. Simulované a kvantové žíhání. Variační algoritmy. Kvantové strojové učení. |
Osnovy přednášek:
| 1. | | Omezení klasických počítačů. Proč uvažujeme kvantové počítání? K čemu by kvantové počítání mohlo být dobré? Pojmy "quantum supremacy" a "quantum advantage". |
| 2. | | "Kvantová mechanika pro nefyziky". Postulátky kvantové mechaniky a Diracova notace. Unitarní operátory a střední hodnota. Evoluce kvantového stavu. |
| 3. | | Klasické bity a qubity. Blochova koule. Reversibilní operace a kvantové obvody. Příprava stavu a měření. |
| 4. | | Úvod do výpočetní složitosti kvantového počítání v kontrastu s klasickým počítáním. Klasické a kvantové Turingovy stroje. Klasické a kvantové obvody. Klasické třídy P, BPP, NP, PSPACE. Kvantové třídy BQP, QMA a PSPACE. |
| 5. | | Kvantové algoritmy jako učebnicová ukázka exponenciálního zrychlení (Deutsch-Joszův algoritmus). |
| 6. | | Shorův algoritmus a kvantová Fourierova transformace. |
| 7. | | Groverův algoritmus a dynamické programování v exponenciálním čase. |
| 8. | | Kvantové a klasické náhodné procházky. |
| 9. | | Klasické Monte Carlo simulace a kvantové náhrady Monte Carlo simulací. Aplikace ve finančních službách. |
| 10. | | Novější směry vývoje kvantového počítání. Adiabatické počítání. Estimace fáze. Simulované a kvantové žíhání. Variační algoritmy. |
| 11. | | Kvantové strojové učení. |
| 12. | | (Záloha) |
Osnovy cvičení:
Osnovy cvičení navazují na osnovy přednášek. Zatímco na přednášce se klade důraz na porozumění souvislostí a zdůvodnění, na cvičení se studenti zabývají implementačními aspekty s open source knihovnou Qiskit (
https://qiskit.org/)
Literatura:
Existuje celá řada vynikajících textů. Nejpřístupnější se zdá být:
| N. | | David Mermin. Quantum Computer Science: An Introduction. Cambridge University Press, 2007. |
Amira Abbas et al. Learn Quantum Computation using Qiskit.
https://qiskit.org/textbook/
Požadavky:
Matematika v rozsahu povinných předmětů bakalářského programu (základy lineární algebry, teorie pravděpodobnosti a matematické analýzy).
Klíčová slova:
Kvantové počítání, kvantový počítač
Předmět je zahrnut do těchto studijních plánů:
| Plán |
Obor |
Role |
Dop. semestr |
| Stránka vytvořena 23.4.2024 17:50:37, semestry: Z,L/2023-4, Z/2024-5, připomínky k informační náplni zasílejte správci studijních plánů |
Návrh a realizace: I. Halaška (K336), J. Novák (K336) |