Kvantové počítání

Garant předmětu:

Jakub Mareček

Přednášející:

Bengt Arne Johannes Hansson Aspman, Georgios Korpas, James Rufus Alexander Lawrence, Jakub Mareček

Cvičící:

Llorenç Balada Gaggioli, Bengt Arne Johannes Hansson Aspman, Georgios Korpas, James Rufus Alexander Lawrence, Jakub Mareček, Waqas Parvaiz

Předmět zajišťuje:

katedra počítačů

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.

Požadavky:

Matematika v rozsahu povinných předmětů bakalářského programu (základy lineární algebry, teorie pravděpodobnosti a matematické analýzy).

Osnova 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)

Osnova 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/)

Cíle studia:

Pochopení příležitostí a omezení kvantového počítání.

Studijní materiály:

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/

Poznámka:

Přednášející:

Jakub Mareček, Ph.D. vede skupinku Optimalizace na AIC, která krom grantů GAČR pracuje na kvantovém počítání pro přední finanční instituce vč. Fidelity Investments a HSBC. Do března 2020 Jakub spoluvedl komunitu okolo kvantového počítání u IBM Research. Je spoluautorem nejpoužívanějšího open-source balíku pro kvantové počítání (qiskit.org). Má všechny diplomy z informatiky.

Johannes Aspman, Ph.D. od října 2022 pracuje ve skupině Optimalizace na AIC, předtím studoval kvantovou teorii pole na Trinity College Dublin.

Georgios Korpas, Ph.D. od srpna 2022 vede výzkum ve kvantovém počítání u banky HSBC, předtím pracoval ve skupině Optimalizace na AIC a ještě předtím studoval kvantovou teorii pole na Trinity College Dublin.

James Rufus Alexander Lawrence absolvoval matematiku na Imperial College London a na AI pracuje ve skupince Optimalizace.

Další informace:

https://cw.fel.cvut.cz/wiki/courses/b0m36qua/start?animal=wiki

Rozvrh na zimní semestr 2024/2025:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2024/2025:

	06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po
Út
St
Čt
Pá	místnost KN:E-301 09:15–10:45 (přednášková par. 1) Karlovo nám. Šrámkova posluchárna K9místnost KN:A-313 11:00–12:30 (přednášková par. 1 paralelka 101) Karlovo nám. Učebna KA313 místnost KN:A-313 09:15–10:45 (přednášková par. 1) Karlovo nám. Učebna KA313místnost KN:E-301 11:00–12:30 (přednášková par. 1 paralelka 101) Karlovo nám. Šrámkova posluchárna K9

Předmět je součástí následujících studijních plánů: