МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Квантовая информатика

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра радиофизики и теоретической физики
Направление подготовки03.03.03. Радиофизика
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость4 ЗЕТ
Учебный план03_03_03_РФ-3-2019
Часов по учебному плану 144
в том числе:
аудиторные занятия 48
самостоятельная работа 96
Виды контроля по семестрам
зачеты: 8

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 4 (8) Итого
Недель 8
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 12 12 12 12
Практические 36 36 36 36
Сам. работа 96 96 96 96
Итого 144 144 144 144

Программу составил(и):
к.ф.-м.н., доцент, Волков Н.В.

Рецензент(ы):
к.ф.-м.н., доцент, Рудер Д.Д.

Рабочая программа дисциплины
Квантовая информатика

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 03.03.03 РАДИОФИЗИКА (уровень бакалавриата) (приказ Минобрнауки России от 12.03.2015г. №225)

составлена на основании учебного плана:
03.03.03 Радиофизика
утвержденного учёным советом вуза от 25.06.2019 протокол № 9.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 06.06.2019 г. № 9/2018-19
Срок действия программы: 2019-2020 уч. г.

Заведующий кафедрой
д.ф.-м.н., профессор А. А. Лагутин


Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2019-2020 учебном году на заседании кафедры

Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 06.06.2019 г. № 9/2018-19
Заведующий кафедрой д.ф.-м.н., профессор А. А. Лагутин


1. Цели освоения дисциплины

1.1.1. Ознакомление слушателей с относительно новой информационно-вычислительной парадигмой, основанной на квантово-механических свойствах объектов реального мира.
2. Изучение алгоритмических основ классической и квантовой теории информатики.
3. Подготовка студентов к решению задач, связанных с применением унитарных преобразований для осуществления информационного процесса.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.07

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ОПК-3 способностью решать стандартные задачи профессиональной деятельности на основе информационной и библиографической культуры с применением информационно-коммуникационных технологий и с учетом основных требований информационной безопасности
ПК-3 владением компьютером на уровне опытного пользователя, применению информационных технологий
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.Основные понятия классической и квантовой теории информации, понимать их фундаментальные свойства и отличия.
Основные методы и подходы экспериментальных попыток реализации квантового компьютера, как физического устройства.
Перспективные направления исследований и разработок в области передачи и защиты информации с использованием классических и квантовых криптографических систем.
3.2.Уметь:
3.2.1.Моделировать на классическом компьютере цепочки квантовых логических элементов для осуществления информационного процесса.
Анализировать стойкость шифр-кода современных криптографических систем асимметричного шифрования (на примере системы RSA) с применением как минимум трех методов взлома.
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.Выполнять математические преобразования в системе квантовых вычислений.

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Введение. Основные понятия классической теории информации.
1.1. Форма представления информации. Мера информации. Бит. Сжатие данных. Теорема кодирования. Условная и взаимнаяя энтропия. Пропускная способность бинарного симметричного канала. Лекции 8 2 ОПК-3 Л2.1, Л1.1
1.2. Форма представления информации. Мера информации. Бит. Сжатие данных. Теорема кодирования. Условная и взаимнаяя энтропия. Пропускная способность бинарного симметричного канала. Сам. работа 8 4 ОПК-3 Л2.1, Л1.1
Раздел 2. Классическая теория вычислений.
2.1. Классическая теория вычислений. Логические элементы AND, OR, XOR. Тезисы Черча–Тьюринга. Классификация алгоритмов по сложности. Лекции 8 1 ОПК-3 Л2.1, Л1.1
2.2. Классическая теория вычислений. Логические элементы AND, OR, XOR. Тезисы Черча–Тьюринга. Классификация алгоритмов по сложности. Сам. работа 8 4 ОПК-3 Л2.1, Л1.1
Раздел 3. Основы квантовой механики. Квантовая теория информации.
3.1. Аксиомы квантовой механики. Наблюдаемые и операторы. Квантовое измерение. Эволюция квантовой системы. Унитарные преобразования. Квантовая информация. Матрица плотности. Квантовая энтропия. Лекции 8 1 ОПК-3 Л2.1, Л1.1
3.2. Аксиомы квантовой механики. Наблюдаемые и операторы. Квантовое измерение. Эволюция квантовой системы. Унитарные преобразования. Квантовая информация. Матрица плотности. Квантовая энтропия. Сам. работа 8 4 ОПК-3 Л2.1, Л1.1
Раздел 4. Квантовые вычислительные схемы. Квантовый параллелизм.
4.1. Квантовая телепортация. Логические схемы для квантовых вычислений. Элементы Тоффоли, NAND, FANOUT. Квантовый параллелизм. Алгоритм Дойча. Алгоритм Дойча–Йожа. Лекции 8 0 ОПК-3 Л2.1, Л1.1
4.2. Однокубитные и двухкубитные квантовые логические элементы. Практические 8 9 ОПК-3, ПК-3 Л2.1, Л1.1
4.3. Квантовая телепортация. Логические схемы для квантовых вычислений. Элементы Тоффоли, NAND, FANOUT. Квантовый параллелизм. Алгоритм Дойча. Алгоритм Дойча–Йожа. Сам. работа 8 8 ОПК-3 Л2.1, Л1.1
Раздел 5. Квантовое преобразование Фурье. Общие приложения квантового преобразования Фурье.
5.1. Квантовое преобразование Фурье. Задача о нахождении собственного числа. Задача о нахождении порядка. Задача о факторизации. Общие приложения квантового преобразования Фурье. Нахождение периода. Дискретный логарифм. Задача о скрытой подгруппе. Квантовый алгоритм поиска. Алгоритм Гровера. Лекции 8 4 ОПК-3 Л2.1, Л1.1
5.2. Квантовое преобразование Фурье. Задача о нахождении собственного числа. Задача о нахождении порядка. Задача о факторизации. Общие приложения квантового преобразования Фурье. Нахождение периода. Дискретный логарифм. Задача о скрытой подгруппе. Квантовый алгоритм поиска. Алгоритм Гровера. Сам. работа 8 36 ОПК-3 Л2.1, Л1.1
Раздел 6. Квантовые алгоритмы, корректирующие ошибки.
6.1. Квантовые алгоритмы, корректирующие ошибки. Код Шора. Лекции 8 2 ОПК-3 Л2.1, Л1.1
6.2. Квантовые коммуникации. Протоколы BB-84 и BB-92. Практические 8 9 ОПК-3, ПК-3 Л2.1, Л1.1
6.3. Квантовые алгоритмы, корректирующие ошибки. Код Шора. Сам. работа 8 20 ОПК-3 Л2.1, Л1.1
Раздел 7. Основы криптографии.
7.1. Основы криптографии. Криптография с открытым ключом. Си- стема RSA. Лекции 8 2 ОПК-3 Л2.1, Л1.1
7.2. Основы криптографии. Методы взлома системы RSA. Практические 8 18 ОПК-3, ПК-3 Л2.1, Л1.1
7.3. Основы криптографии. Криптография с открытым ключом. Си- стема RSA. Сам. работа 8 20 ОПК-3 Л2.1, Л1.1

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
1. Классическая теория информации. Мера информации. Сжатие данных. Теорема кодирования.
2. Количественная мера информации. Энтропия Шеннона. Энтропия бинарной величины. Условная и взаимная энтропия.
3. Передача информации по каналу без шума. Пропускная способность бинарного симметричного канала.
4. Классическая теория вычислений. Логические элементы AND, OR, XOR. Тезисы Черча–Тьюринга. Классификация алгоритмов по сложности.
5. Аксиомы квантовой механики. Наблюдаемые и операторы. Квантовое измерение. Эволюция квантовой системы. Унитарные преобразования.
6. Квантовая информация. Матрица плотности. Квантовая энтропия.
7. Квантовая информация. Условная и взаимная энтропия. Кубит. Перепутанное состояние. ЭПР пара.
8. Теорема о неклонируемости квантовых состояний. Протокол BB-92.
9. Квантовые схемы. Квантовая телепортация.
10. Логические схемы для квантовых вычислений. Элементы Тоффоли, NAND, FANOUT. Квантовый параллелизм.
11. Алгоритм Дойча. Алгоритм Дойча–Йожа.
12. Квантовое преобразование Фурье.
13. Задача о нахождении собственного числа.
14. Задача о нахождении порядка.
15. Задача о факторизации.
116. Общие приложения квантового преобразования Фурье. Нахождение периода. Дискретный логарифм.
17. Общие приложения квантового преобразования Фурье. Задача о скрытой подгруппе.
18. Общие приложения квантового преобразования Фурье. Квантовый алгоритм поиска. Алгоритм Гровера.
19. Квантовые алгоритмы, корректирующие ошибки. Код Шора.
20. Основы криптографии. Криптография с открытым ключом. Система RSA.
5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации
См. приложение.

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 А.Ю. Хренников Введение в квантовую теорию информации: Учебник Москва : Физматлит, 2008 // ЭБС Лань e.lanbook.com
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Д.Е. Попов Введение в физику квантовой информации: Учебное пособие Кострома : КГУ им. Н. А. Некрасова, 2012 // ЭБС "Университетская библиотека online" URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=275646
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 Лекционный курс «Основы теории информации и криптографии» доступен на cайте «Интернет университета информационных технологий» по ссылке http://www.intuit.ru/department/calculate/infotheory/
Э2 Там же опубликован курс «Математика криптографии и теория шифрования» http://www.intuit.ru/goto/course/mathcryptet/
6.3. Перечень программного обеспечения
Windows 7 Professional, № 60674416 от 17.07.2012 (бессрочная);
Office 2010 Professional, № 49464762 от 14.12.2011 (бессрочная);
Open Office, http://www.openoffice.org/license.html
Visual Studio, https://code.visualstudio.com/license
Python c расширениями PIL, Py OpenGL, https://docs.python.org/3/license.html
FAR, http://www.farmanager.com/license.php?l=ru
7-Zip, http://www.7-zip.org/license.txt
AcrobatReader, http://wwwimages.adobe.com/content/dam/Adobe/en/legal/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf
Chrome; http://www.chromium.org/chromium-os/licenses
Eclipse (PHP,C++, Phortran), http://www.eclipse.org/legal/eplfaq.php
DjVu reader, http://djvureader.org/
Lazarus, http://wiki.lazarus.freepascal.org/Lazarus_Faq#Licensing
Putty, https://putty.org.ru/licence.html
QTEPLOT, http://www.qtiplot.com/doc/manual-en/index.html
NETBEANS, https://netbeans.org/about/legal/index.html
R STUDIO (open source), http://www.rstudio.com/
MingGW, http://mingw.org/license
Scilab, http://www.scilab.org/en/scilab/license
6.4. Перечень информационных справочных систем

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
Учебная аудитория для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска)
Помещение для самостоятельной работы помещение для самостоятельной работы обучающихся Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ
308К лаборатория компьютерных технологий - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Учебная мебель на 15 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доска маркерная; компьютеры Aquarius STd MS_SC140, монитор BENQ 17'' (5шт.), компьютеры Парус 945 MSI, монитор LG 17'' (5 шт.) Fast Ethernet Swich Allied Telesyn 1; методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по курсам "Алгоритмы и языки программирования", "Численные методы и математическое моделирование", "Вычислительная физика", "Компьютерная радиофизика".
001вК склад экспериментальной мастерской - помещение для хранения и профилактического обслуживания учебного оборудования Акустический прибор 01021; виброизмеритель 00032; вольтметр Q1202 Э-500; вольтметр универсальный В7-34А; камера ВФУ -1; компьютер Турбо 86М; масспектрометр МРС -1; осциллограф ЕО -213- 2 ед.; осциллограф С1-91; осциллограф С7-19; программатор С-815; самописец 02060 – 2 ед.; стабилизатор 3218; терц-октавный фильтр 01023; шкаф вытяжной; шумомер 00026; анализатор АС-817; блок 23 Г-51; блок питания "Статрон" – 2 ед.; блок питания Ф 5075; вакуумный агрегат; весы; вольтметр VM -70; вольтметр В7-15; вольтметр В7-16; вольтметр ВУ-15; генератор Г-5-6А; генератор Г4-76А; генератор Г4-79; генератор Г5-48; датчик колебаний КВ -11/01; датчик колебаний КР -45/01; делитель Ф5093; измеритель ИМП -2; измеритель параметров Л2-12; интерферометр ИТ 51-30; источник "Агат" – 3 ед.; источник питания; источник питания 3222; источник питания ЭСВ -4; лабораторная установка для настройки газовых лазеров; лазер ЛГИ -21; М-кальк-р МК-44; М-калькул-р "Электроника"; магазин сопротивления Р4075; магазин сопротивления Р4077; микроскоп МБС -9; модулятор МДЕ; монохроматор СДМС -97; мост переменного тока Р5066; набор цветных стекол; насос вакумный; насос вакуумный ВН-01; осциллограф С1-31; осциллограф С1-67; осциллограф С1-70; осциллограф С1-81; осциллоскоп ЕО -174В – 2 ед.; пентакта L-100; пирометр "Промень"; пистонфон 05001; преобразователь В9-1; прибор УЗДН -2Т; скамья оптическая СО 1м; спектограф ДФС -452; спектограф ИСП -51; стабилизатор 1202; стабилизатор 3217 – 4 ед.; стабилизатор 3218; стабилизатор 3222 – 3 ед.; станок токарный ТВ-4; усилитель мощности ЛВ -103 – 4 ед.; усилитель У5-9; центрифуга ВЛ-15; частотомер Ч3-54А; шкаф металлический; эл.двигатель; электродинамический калибратор 11032

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Для получения зачета требуется 100% выполнение всех практических заданий.