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Einführung in Quantencomputing

Vorlesung mit Übung im Sommersemester 2023
Prof. Dr. D. Kranzlmüller, Dr. T. Guggemos,
K. Staudacher, X-T. M. To, F. Krötz

Willkommen auf der Webseite zur Einführung in Quantencomputing im Sommersemester 2023. Auf dieser Seite finden Sie sämtliche Informationen zur Vorlesung und zu den begleitenden Übungen

PhotonQ
source: University of Vienna

IQM
source: Bluefors Quantencomputer
am Leibniz-Rechenzentrum

News

05.05.2023
Der Raum für die Vorlesung wurde auf B 001 geändert (Ein Stockwerk über B U101)
21.04.2023
Aufgrund des Bahnstreiks wird die heutige Vorlesung einmalig auch als Stream angeboten. Den Link dazu finden Sie im Ankündigungsforum auf Moodle.
19.04.2023
Aufgrund des Bahnstreiks am 21.04. wird der Einschreibeschlüssel für Moodle bereits vor der ersten Vorlesung veröffentlicht. Er lautet: FunWithQuantum=)
Bitte registrieren Sie sich bis Freitag, den 28.04.2023, 12:00 Uhr, mit diesem Schlüssel auf Moodle, wenn Sie an der Vorlesung teilnehmen möchten.
03.04.2023
Der Übungstermin wurde von Donnerstag 12-14 Uhr auf Freitag 10-12 Uhr verschoben.
08.03.2023
Die Vorlesung wird ausschließlich über das Lernsystem Moodle organisiert. Die Zugangsdaten für Moodle bekommen Sie in der ersten Vorlesung. Sie müssen sich NICHT im LSF oder in uni2work registrieren.

Wichtig: Um am Übungsbetrieb teilnehmen zu können, kommen Sie bitte unbedingt in die erste Vorlesung, da ansonsten kein Platz im Übungsbetrieb garantiert werden kann.
05.03.2023
Die Vorlesung wird ausschließlich in Präsenzunterricht stattfinden. Vorlesungsaufzeichnungen der letzten Semester finden sich in LMUCast.

Inhalte der Vorlesung

Zwei wissenschaftliche Revolutionen prägten die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts. Zum Einen legten Pioniere wie Konrad Zuse, Alan Turing und John von Neumann die Grundlagen für den Bau der ersten praktikablen Rechenmaschinen. Zum Anderen stürzte das klassische Weltbild der Physik, seit den Tagen Newtons erweitert, aber kaum verändert, mit der Beschreibung der Quantenmechanik in sich zusammen.

Diese wissenschaftlichen Revolutionen zogen sehr schnell technische nach sich. Wie sehr der Computer unsere heutige Gesellschaft, unser Welt- und Menschenbild prägt, steht jedem vor Augen. Weniger bewusst ist vielen, dass die Quantenmechanik unseren Alltag ebenso beeinfusst. Erst die quantenmechanische Beschreibung des Atoms machte es möglich, Halbleiter und den Laser zu entwickeln; das Transistorradio, der CD-Spieler und moderne Computerhardware sind Folgen der Quantenmechanik.

In den letzten Jahrzehnten wurden diese beiden Wissenschaften zusammengeführt, es entstand ein neuer interdisziplinärer Zweig namens Quantum Computing. Das Ziel ist, Quantencomputer zu bauen, Quantenalgorithmen zu entwickeln und zu untersuchen, welche Konsequenzen die Quantenmechanik für die Informationsübertragung hat.

Die Vorlesung erläutert die Grundlagen des Quantencomputings, u.a.:

  • Einführung in die Quantenmechanik
  • die mathematischen Grundlagen (hauptsächlich lineare Algebra)
  • Komplexität von Quantenalgorithmen und die Notwendigkeit neuer Komplexitätsklassen
  • Quanten Bits (QuBits) und Quantenregister
  • Quanten-Teleportation, dichte Kodierung und Verschränkung
  • verschiedene Quantenalgorithmen, unter anderem Suchalgorithmen und Quantenfouriertransformation
  • Shor's Algorithmus und die Implikationen für die moderne Kryptographie
  • Hybride Quantenalgorithmen
  • Quantenkommunikation und Quantenkryptographie
  • verfügbare Hardware und Quantencomputer
In den Übungen sollen diese Kennntnisse vertieft und selbstständig Quantenalgorithmen implementiert werden. Diese werden mit einem Simulator, aber auch mit einem echten Quantencomputer (IBM-Q) durchgeführt.

Vorkenntnisse

Zur Teilnahme sollten Sie mit folgenden Inhalten vertraut sein:

  • Lineare Algebra
  • Kryptographie (z.B. aus der Vorlesung IT-Sicherheit): symmetrischen und asymmetrischen Verschlüsselungsverfahren (z.B. RSA), Schlüsselaustausch (z.B: Diffie-Hellmann)
  • Grundverständnis von Quantenphysik ist hilfreich, aber keine Voraussetzung

Teilnahme

  • Hörerkreis:Die Vorlesung richtet sich an Studierende im Masterstudiengang Informatik, Medieninformatik, Bioinformatik, Studierende im Hauptstudium der Informatik (Diplom) bzw. Medieninformatik (Diplom) sowie Studierende mit Nebenfach Informatik. Studierende Informatik bzw. Medieninformatik Bachelor können die Vorlesung als "Vertiefende Themen der Informatik für Bachelor" angeben.
  • SWS/ECTS: 5 Semesterwochenstunden (3V, 2Ü), 6 ECTS gemäß Modulbeschreibung
  • Leistungsnachweis: schriftliche Prüfung
  • Teilnahmebeschränkung: Die Teilnahme an der Vorlesung ist unbeschränkt.
  • Übungsbetrieb: Zusätzlich zur Vorlesung werden wöchentliche Übungen angeboten, mit der Abgabe von Übungsblätter kann ein Bonus für die Prüfung erworben werden.
    Wichtig: Um am Übungsbetrieb teilnehmen zu können, kommen Sie bitte unbedingt in die erste Vorlesung, da ansonsten kein Platz im Übungsbetrieb garantiert werden kann.
  • Die Vorlesung und Übungen finden auf Deutsch statt.
    The lecture and exercises will be held in German. From last year, we have some recorded exercises in English

    Termine

    Vorlesung

    Freitag, 14-17 Uhr
    Oettingenstr. 67 - B 001
    Die erste Vorlesung findet am 21. April 2023 statt.

    Übung

    Freitag, 10-12 Uhr
    Oettingenstr. 67 - B U101
    Die erste Übung findet am 28. April 2023 statt.

    Prüfung

    Informationen folgen.

    Aktuelle Terminänderungen oder neue Termine werden im Lernsystem Moodle mitgeteilt.

    Skript

    Das Skript und die Folien zur Vorlesung finden Sie in Moodle

    Recommended Literature

    KAYE, Phillip; LAFLAMME, Raymond; MOSCA, Michele.
    An introduction to quantum computing
    Oxford University Press, 2007

    HOMEISTER, Matthias.
    Quantum Computing verstehen: Grundlagen-Anwendungen-Perspektiven.
    5. Auflage, Springer-Verlag, 2018

    Quantum Computation Lecture Notes and Homework Assignments
    Cornell, Spring 2006
    http://www.lassp.cornell.edu/mermin/qcomp/CS483.html

    David McMahon
    Quantum Computing Explained
    John Wiley & Sons, June 2008
    EAN: 9780470181362

    Kontakt/Sprechstunde

    Über email bzw. nach den Übungen und Vorlesungen oder nach Vereinbarung.