Información y Computación Cuánticas

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1 Información y Computación Cuánticas Guía de Aprendizaje Información al estudiante 1. Datos Descriptivos Asignatura Información y Computación Cuánticas Materia Departamento responsable M15 Optativa Tecnologías Especiales Aplicadas a la Telecomunicación Créditos ECTS 4,5 Carácter Titulación Curso Especialidad Optativa Graduado en Ingeniería de Tecnologías y Servicios de Telecomunicación Tercero N/A Curso académico Semestre en que se imparte Idioma en que se imparte Segundo Castellano Página Web Moodle de la asignatura 1

2 2. Profesorado NOMBRE Y APELLIDO DESPACHO Correo electrónico Pedro J. Salas Peralta A-210 psalas@etsit.upm.es 3. Conocimientos previos requeridos para poder seguir con normalidad la asignatura Asignaturas superadas N/A Otros resultados de aprendizaje necesarios Conocimientos elementales sobre: física clásica, física cuántica, álgebra lineal y teoría de la información. 4. Objetivos de Aprendizaje COMPETENCIAS ASIGNADAS A LA ASIGNATURA Y SU NIVEL DE ADQUISICIÓN Código Competencia Nivel CG1-13 CEB3 CECT1 CECT3 Todas las asignaturas del Plan de Estudios contribuyen en mayor o menor medida a la consecución de las competencias generales del perfil de egreso. Comprensión y dominio de los conceptos básicos sobre las leyes generales de la mecánica, termodinámica, campos y ondas y electromagnetismo y su aplicación para la resolución de problemas propios de la ingeniería. Capacidad para aprender de manera autónoma nuevos conocimientos y técnicas adecuados para la concepción, el desarrollo o la explotación de sistemas y servicios de telecomunicación. Capacidad para utilizar herramientas informáticas de búsqueda de recursos bibliográficos o de información relacionada con las telecomunicaciones y la electrónica LEYENDA: Nivel de adquisición 1: Básico Nivel de adquisición 2: Medio Nivel de adquisición 3: Avanzado 2

3 RESULTADOS DE APRENDIZAJE DE LA ASIGNATURA Código Resultado de aprendizaje Competencias asociadas Nivel de adquisición RA1 Tener una visión general de las ventajas en inconvenientes que la mecánica cuántica aporta a la representación y procesado de la información. CG1,CG2, CG3, CG5, CG12, CEB3 3 RA2 RA3 Aprender el manejo de las herramientas teóricas (matemáticas) que permiten describir la representación y procesado de la información cuántica. Conocer las tecnologías actuales relacionadas con el procesado de la información cuántica CEB3, CECT1, CECT3 CECT1, CECT3 2 1 RA4 Aprender a resolver problemas utilizando los conceptos de la teoría cuántica de la información CEB3, CECT1, CECT3 2 LEYENDA: Nivel de adquisición 1: Conocimiento descriptivo Nivel de adquisición 2: Compresión/Aplicación Nivel de adquisición 3: Análisis/Síntesis/Implementación 3

4 5. Sistema de evaluación de la asignatura INDICADORES DE LOGRO Ref Indicador Relacionado con RA I1 Conocer las limitaciones de la información y computación clásica RA1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10 I11 Conocer y manejar la descripción cuántica de la información: qubits y registros cuánticos Conocer y comprender el concepto de estados no ortogonales y su efecto en la distribución de información Conocer y comprender las ventajas del empleo de estados entrelazados Conocer y comprender las ventajas y limitaciones de la teletransporte cuántico. Demostrar habilidad en la resolución de problemas usando los conceptos de registros y puertas cuánticas. Comprender la relación que existe entre el paralelismo y la interferencia cuántica con las ventajas de la computación cuántica frente a la clásica. Comprender el concepto de decoherencia. Ser capaz de construir circuitos simples de corrección de errores cuánticos. Conocer los principales protocolos criptográficos cuánticos y comprender sus ventajas e inconvenientes. Conocer las principales estrategias tecnológicas usadas en el procesado de la información cuántica RA1, RA2 RA1, RA2 RA1, RA2, RA3 RA1, RA2, RA3 RA1, RA2 RA1, RA2, RA3 RA1, RA2, RA3 RA1, RA2, RA4 RA1, RA2 RA3 4

5 EVALUACION SUMATIVA Breve descripción de las actividades evaluables Momento Lugar Asistencia y participación activa en clase Resolución individual o en grupos y entrega de ejercicios Evaluación final de los conocimientos adquiridos Total del semestre Semanas 4, 8, 13 y 15 Semana 16 o 17 Peso en la calif. Aula 10% Corrección por el profesor 30% Aula 60% Total: 100% CRITERIOS DE CALIFICACIÓN Los alumnos serán evaluados por defecto mediante evaluación continua, según los criterios especificados a continuación. Los alumnos que lo deseen podrán, no obstante, ser evaluados mediante una única prueba final, siempre y cuando lo comuniquen al coordinador de la asignatura mediante solicitud presentada en el registro de la ETSI Telecomunicación. La presentación de este escrito supondrá la renuncia automática a la evaluación continua. La evaluación de la asignatura en su convocatoria extraordinaria se realizará mediante una única prueba final, con independencia de la opción elegida en la convocatoria ordinaria. La calificación de la asignatura mediante evaluación continua se determinará en función de cuatro elementos: 1. Asistencia y participación activa en clase: 10% 2. Resolución individual o en grupo y entrega de ejercicios: 30% 3. Evaluación final de los conocimientos adquiridos: 60% - Asistencia y participación activa en clase: Los estudiantes deberán asistir a un mínimo correspondiente al 80% de las sesiones. - Resolución individual o en grupo y entrega de ejercicios: Los estudiantes deberán resolver, individualmente o en grupo, una serie de ejercicios teóricoprácticos planteados por el profesor. - Evaluación final de los conocimientos adquiridos: Se realizará una prueba de evaluación, al finalizar la asignatura, de los conocimientos adquiridos, en la semana indicada en la tabla de evaluación sumativa. En ella primará el razonamiento y la aplicación práctica de contenidos. Esta prueba se realizará con la disposición del material de apoyo que el alumno estime necesario (apuntes, libros,..etc) y serán comunes a todos los alumnos tanto si han optado por la evaluación continua o por la evaluación final. En el primer caso supondrá el 60% de la calificación final y en el segundo el 100%. La superación de la asignatura requerirá un mínimo de 5 puntos (de un total de 10), tanto en los casos de evaluación continua o examen final. 5

6 6. Contenidos y Actividades de Aprendizaje CONTENIDOS ESPECÍFICOS Bloque / Tema / Capítulo Apartado Indicadores Relacionados 1.1 Introducción I2 1.2 Descripción de sistemas físicos I2 1.3 Representación de magnitudes I2 Tema 1 Fundamentos de Mecánica Cuántica 1.4 Evolución de sistemas aislados I2 1.5 Medidas I2 1.6 Coherencia I2 1.7 Sistemas compuestos I2 1.8 Desigualdades de Bell I2, I4 1.9 Problemas I2, I6 2.1 Introducción I1 Tema 2 Representación y características de la información cuántica 2.2 Qubits y registros cuánticos I2 2.3 Distinción de estados I3 2.4 Copiado de información: Teorema de noclonación I2, I3 2.5 Borrado de información I2, I3 2.6 Comunicación asistida por estados entrelazados I2, I4 3.1 Aspectos generales de la información clásica I1 Tema 3 Comunicación Cuántica 3.2 Fuentes cuánticas I2, I3 3.3 Canales cuánticos de información I2, I3, I4 3.4 Codificación densa I2, I4 3.5 Teletransporte I5 3.6 Implementaciones experimentales I11 6

7 3.7 Problemas I2, I3, I4, I5, I6 Tema 4 Criptografía cuántica Tema 5 Computación cuántica 4.1 Fundamentos de criptografía clásica I1 4.2 Protocolo BB84 I2, I Protocolo mediante entrelazamiento E91 I2, I Distribución experimental de claves I10, I Aspectos generales de la computación clásica 5.2 Modelo de circuitos cuánticos I2, I7 5.3 Puertas cuánticas I2 I1 5.4 Problemas I2, I6 6.1 Características de la computación cuántica I7 6.2 Algoritmos simples: generación de números aleatorios I2, I7 6.3 Algoritmos simples: Deutsch-Jozsa y Simon I2, I4, I7 Tema 6 Algoritmos cuánticos 6.4 Algoritmos de búsqueda de Grover I2, I4, I7 6.5 Transformada de Fourier: período de una función I2, I4, I7 6.6 Algoritmo de factorización de Shor I2, I4, I7 6.7 Simulación de sistemas cuánticos I2, I4, I7 6.8 Implementaciones experimentales I Problemas I2, I6 Tema 7 Control de errores 7.1 Origen y control del ruido I8 7.2 Efectos del ruido: tipos de errores I8 7.3 Códigos correctores de errores cuánticos I2, I8, I9 7.8 Problemas I2, I6, I8, I9 7. Breve descripción de las modalidades organizativas utilizadas y de los métodos de enseñanza empleados CLASES DE TEORIA Se utilizará la lección magistral con exposición verbal de los contenidos, apoyadas con presentaciones de power-point. 7

8 RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS DE FORMA INDIDUAL O EN GRUPO TUTORÍAS Los estudiantes resolverán los problemas indicados (individualmente o en grupo), que serán entregados y calificados por el profesor. Se realizarán según la normativa vigente. 8

9 8. Recursos didácticos RECURSOS DIDÁCTICOS M.A. Nielsen and I. L. Chuang. Quantum computation and quantum information, 4 a edn., Ed. Cambridge University Press, J. Stolze and D. Suter. Quantum Computing, Ed. Wiley-VCH, Weinheim, 2004 P. Kaye, R. Laflamme y M. Mosca; An Introduction to Quantum Computing, Ed. Oxford University Press, BIBLIOGRAFÍA Giuliano Benenti, Giulio Casati, Giuliano Strini; Principles of Quantum Computation and Information: vol.1 y 2, Ed. World Scietific, 2004 Dirk Bouwmeester, Artur K. Ekert, Anton Zeilinger, The Physics of Quantum Information: Quantum Cryptography, Quantum Teleportation, Quantum Computation, Ed. Springer, 2001 Noson S. Yanofsky and Mirco A. Mannucci, Quantum Computing for Computer Scientists, Ed Cambridge University Press, 2008 Vlatko Vedral, Introduction to Quantum Information Science, Ed. Oxford University Press, 2006 RECURSOS WEB EQUIPAMIENTO Moodle de la asignatura Aula: Asignada por Jefatura de Estudios con cañón de video. 9

10 9. Cronograma de trabajo de la asignatura Semana Actividades en Aula Trabajo Individual Trabajo en grupo Presentación de la asignatura Actividades de Evaluación Otros Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4 (8 horas) Tema 1: Mecánica Cuántica 1.1 Introducción 1.2 Descripción de sistemas físicos 1.3 Representación de magnitudes 1.4 Evolución de sistemas aislados 1.5 Medidas 1.6 Coherencia 1.7 Sistemas compuestos 1.8 Desigualdades de Bell 1.9 Problemas tema Resolución y entrega de problemas propuestos (2 horas) 10

11 Tema 2: Representación y características de la información cuántica Semana 5 Semana 6 Semana Introducción 2.2 Qubits y registros cuánticos 2.3 Distinción de estados 2.4 Copiado de información: teorema de no clonación 2.5 Borrado de información 2.6 Comunicación asistida por estados entrelazados Tema 3: Comunicación cuántica 3.1 Aspectos generales de la información clásica 3.2 Fuentes cuánticas 3.3 Canales cuánticos de información 3.4 Codificación densa 3.5 Teletransporte 3.6 Implementaciones experimentales 11

12 Semana 8 (8 horas) 3.7 Problemas Tema 4: Criptografía cuántica 4.1 Fundamentos de criptografía clásica 4.2 Protocolo BB Protocolo mediante entrelazamiento E Distribución experimental de claves Resolución y entrega de problemas propuestos (2 horas) tema Semana 9 Tema 5: Computación cuántica 5.1 Aspectos generales de la computación clásica 5.2 Modelo de circuitos cuánticos Tema 6: Algoritmos cuánticos Semana Características de la computación cuántica 6.2 Algoritmos simples: generación de números aleatorios 6.3 Algoritmos simples: Deutsch- Jozsa y Simon tema (4,5 horas) 12

13 Semana 11 Semana 12 Semana 13 (8 horas) Semana 14 Semana 15 (8 horas) 6.4 Algoritmos de búsqueda de Grover 6.5 Trasformada de Fourier: periodo de una función 6.6 Algoritmo de factorización de Shor 6.7 Simulación de sistemas cuánticos 6.8 Implementaciones experimentales 6.9 Problemas Tema 7: Control de errores 7.1 Origen y control de ruido 7.2 Efectos del ruido: tipos de errores 7.3 Códigos correctores de errores cuánticos 7.4 Códigos correctores de errores cuánticos (continuación) 7.5 Problemas tema Resolución y entrega de problemas propuestos (2 horas) tema Resolución y entrega de problemas propuestos (2 horas) 13

14 Semana 16 o 17 (7 horas) Total horas (121.5) Preparación de la prueba de evaluación final (5 horas) Evaluación final (2horas)