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Humboldt-Universität zu Berlin - Mathematisch-Naturwissen­schaft­liche Fakultät - Modern Optics

Quanteninformation und Quantencomputer /

Quantum Information and Quantum Computers

 

Lehrende / Lecturers:       Prof. A. Saenz Prof. O. Benson

                                    

Schedule                                  

Wednesday 9:15-10:45 o'clock:

Lecture (Room NEW 15, 2'102)

Thursday 11:15-12:00 o'clock: 

Lecture (Room NEW 15, 2'102)

Thursday 12:00-12:45 o'clock:

Exercises (Room NEW 15, 2'102)

   

 

News:

Exam:

27.07.2018, 10:00 to 12:00 o'clock, in room  NEW 15, 1'201 (Geerthsen lecture hall).

As agreed on, the exercises are moved from Wednesdays, 10-10:45 o'clock, to Thursdays, 12:00 - 12:45 o'clock.

The solutions to the exercises have to be handed in before the lecture starts Thursdays (11:15 o'clock), either at the lecture or in the post box of the research group AG Moderne Optik (in the entrance area of the physics building).

 

Dates

 

Week

Lecture

Exercises

16.04.-20.04.18

Wednesday, 18.04.,

9:15-10:45(!) o'clock

Thursday, 19.04.,

11:15-12:45(!) o'clock

---

(lecture instead)

23.04.-27.04.18

Wednesday, 25.04.,

9:15-10:45 o'clock

Thursday, 26.04.,

11:15-12:00 o'clock

Thursday, 26.04.,

12:00-12:45 o'clock

(solution sheet 1)

30.04.-04.05.18

Wednesday, 02.05.,

9:15-10:00 o'clock

Thursday, 03.05.,

11:15-12:00 o'clock

Thursday, 03.05.,

12:00-12:45 o'clock

(solution sheet 2)

07.05.-11.05.18

Wednesday, 09.05.,

9:15-10:45(!) o'clock

---

(10.05.: holiday)

---

(10.05.: holiday)

14.05.-18.05.18

Wednesday, 16.05.,

9:15-10:00 o'clock

Thursday, 17.05.,

11:15-12:00 o'clock

Thursday, 17.05.,

12:00-12:45 o'clock

(solution sheet 3)

21.05.-25.05.18

Wednesday, 23.05.,

9:15-10:00 o'clock

Thursday, 24.05.,

11:15-12:00 o'clock

Thursday, 24.05.,

12:00-12:45 o'clock

(solution sheet 4)

28.05.-01.06.18

Wednesday, 30.05.,

9:15-10:00 o'clock

Thursday, 31.05.,

11:15-12:00 o'clock

Thursday, 31.05.,

12:00-12:45 o'clock

(solution sheet 5)

04.06.-08.06.18

Wednesday, 06.06.,

9:15-10:00 o'clock

Thursday, 07.06.,

11:15-12:00 o'clock

Thursday, 07.06.,

12:00-12:45 o'clock

(solution sheet 6)

11.06.-15.06.18

Wednesday, 13.06.,

9:15-10:00 o'clock

Thursday, 14.06.,

---

(no lecture)

Thursday, 14.06.,

12:00-12:45 o'clock

(solution sheet 7)

18.06.-22.06.18

Wednesday, 20.06.,

9:15-10:00 o'clock

Thursday, 21.06.,

11:15-12:00 o'clock

Thursday, 21.06.,

12:00-12:45 o'clock

(solution sheet 8)

25.06.-29.06.18

Wednesday, 27.06.,

9:15-10:00 o'clock

Thursday, 28.06.,

11:15-12:00 o'clock

Thursday, 28.06.,

12:00-12:45 o'clock

(solution sheet 9)

02.07.-06.07.18

Wednesday, 04.07.,

9:15-10:00 o'clock

Thursday, 05.07.,

11:15-12:00 o'clock

Wednesday, 05.07.,

12:00-12:45 o'clock

(solution sheet 10)

09.07.-13.07.18

Wednesday, 11.07.,

9:15-10:00 o'clock

Thursday, 12.07.,

11:15-12:00 o'clock

Thursday, 12.07.,

12:00-12:45 o'clock

(solution sheet 11)

16.07.-20.07.18

Wednesday, 18.07.,

9:15-10:00 o'clock

Thursday, 19.07.,

11:15-12:00 o'clock

Thursday, 19.07.,

12:00-12:45 o'clock

(solution sheet 12)

 

Material

 

19.04.18

Exercise 1

Vorlesungsfolien

26.04.18

Exercise 2

Logical gates

03.05.18

Exercise 3

 

17.05.18

Exercise 4

Quantum simulation

24.05.18

Exercise 5

 

31.05.18

Exercise 6

Shor algorithm

07.06.18

Exercise 7

 

14.06.18

Exercise 8

 

 

 

Kursinformation / Overview (see below)

Der Kurs versucht, den Teilnehmern einen Einblick in das immer noch recht junge und vielbeachtete Thema der Quanteninformation zu geben. Gemäß dem Mooreschen "Gesetz" verdoppelt sich die für den gleichen Preis verfügbare Computerleistung etwa alle zwei Jahre. Eine entsprechende Extrapolation auf die nahe Zukunft bedeutet aber, dass die Schaltkreise schon bald in einen Bereich vorstoßen, in dem Quanteneffekte nicht mehr vernachlässigt werden können. Neben dem Ansatz, Korrekturen für diese nicht-deterministischen Quantenphänomene zu finden, kann man sich natürlich auch fragen, ob nicht gerade die Quantenwelt völlig neue Computer ermöglicht, wie es schon früh von Feynman postuliert wurde. In den letzten Jahren ist dieser Ansatz eines Quantencomputers auf enormes Interesse gestoßen, insbesondere nachdem gezeigt wurde, dass man einen Quantenalgorithmus formulieren kann, der mit relativ wenigen Bits und Rechenoperationen sehr große Zahlen faktorisieren kann. Da dies mit den bekannten klassischen Computern extrem aufwändig ist und daher bei der Verschlüsselung von Daten (Banken, Geheimdienste etc.) verwendet wird, wäre ein Quantencomputer von enormer praktischer Bedeutung. Es gäbe aber noch andere interessante Anwendungen für Quantencomputer, weshalb derzeit viele Physiker damit beschäftigt sind, einen Quantencomputer mit mehr als ein paar Bits (hier genaugenommen Quanten- also Qubits) zu konzipieren. Dieses Forschungsgebiet ist aber auch deshalb sehr interessant, weil es ein tieferes Verständnis der Quantenwelt ermöglicht. So hat sich herausgestellt, dass Quantencomputer zwar unter Umständen die derzeit üblichsten Codes knacken können, dass aber umgekehrt die Quantenwelt ganz neue Verschlüsselungsstrategien erlaubt, was in dem ebenfalls zur Quanteninformation gehörigen Gebiet der Quantenkryptographie untersucht wird.

Diese Veranstaltung diskutiert also zunächst die wichtigsten relevanten quantenmechanischen Grundlagen, den Unterschied zwischen klassischen Bits und Qubits, die Besonderheiten von Quantenalgorithmen im Vergleich zu klassischen Computeralgorithmen, die experimentellen Ansätze und Hürden auf dem Weg zu einem Quantencomputer sowie die wesentlichen Grundlagen von Quantenkommunikation und -kryptographie.

Kursinhalt:

  • Quantenmechanische Grundlagen (kurze Auffrischung)
  • Basisgrundlagen der Informatik (Computermodelle,Komplexitätsklassen)
  • Grundkonzepte des Quantencomputers
  • Quantencomputeralgorithmen
  • Quantensimulatoren (analoge Quantencomputer)
  • Fehlerkorrektur
  • Quantenkryptographie
  • Alternative Konzepte (Einwegquantencomputer u.ä.)
  • Experimentelle Realisierungen

Overview:

  • Basic quantum mechanical principles (brief reminder)
  • Basic concepts of computer science
  • Basic principles of a quantum computer
  • Quantum-computer algorithms
  • Quantum simulators (analog quantum computers)
  • Error correction
  • Quantum cryptography
  • Alternative concepts for quantum computers like one-way quantum computing
  • Experimental realizations

 

Literature:

Michael A. Nielsen and Isaac L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information , Cambridge University Press.

Joachim Stolze, Dieter Suter, Quantum Computing , Wiley-VCH.

D. Bouwmeester, A. Ekert, A. Zeilinger, The Physics of Quantum Information , Springer.