Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu - Centralny punkt logowania
Strona główna

Quantum communication in practice

Informacje ogólne

Kod przedmiotu: 0800-QCOMM
Kod Erasmus / ISCED: (brak danych) / (brak danych)
Nazwa przedmiotu: Quantum communication in practice
Jednostka: Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej
Grupy: Wykłady monograficzne do wyboru (oferowane w danym roku akademickim)
Punkty ECTS i inne: (brak) Podstawowe informacje o zasadach przyporządkowania punktów ECTS:
  • roczny wymiar godzinowy nakładu pracy studenta konieczny do osiągnięcia zakładanych efektów uczenia się dla danego etapu studiów wynosi 1500-1800 h, co odpowiada 60 ECTS;
  • tygodniowy wymiar godzinowy nakładu pracy studenta wynosi 45 h;
  • 1 punkt ECTS odpowiada 25-30 godzinom pracy studenta potrzebnej do osiągnięcia zakładanych efektów uczenia się;
  • tygodniowy nakład pracy studenta konieczny do osiągnięcia zakładanych efektów uczenia się pozwala uzyskać 1,5 ECTS;
  • nakład pracy potrzebny do zaliczenia przedmiotu, któremu przypisano 3 ECTS, stanowi 10% semestralnego obciążenia studenta.

zobacz reguły punktacji
Język prowadzenia: angielski
Wymagania wstępne:

Konieczne: znajomość podstaw mechaniki kwantowej (na poziomie Fizyki kwantowej I) oraz języka angielskiego w stopniu co najmniej zaawansowanym.


Wskazane: znajomość podstaw optyki kwantowej (na poziomie Optyki kwantowej I), w szczególności kwantowego opisu pola promieniowania oraz podstawowych rodzajów stanów światła (stany Focka, koherentne, ściśnięte) i ich właściwości.


Niekonieczne, ale przydatne: wcześniejsze zaliczenie Optyki kwantowej II, Elementów informatyki kwantowej i/lub Teorii informacji.

Całkowity nakład pracy studenta:

Godziny realizowane z udziałem nauczycieli: 35 godz.

- udział w wykładach: 30 godz.

- konsultacje z nauczycielem akademickim: 5 godz.


Czas poświęcony na pracę indywidualną studenta: 45 godz.

- czytanie literatury: 15 godz.

- przygotowanie do egzaminu: 30 godz.


Łącznie: 80 godz.

Efekty uczenia się - wiedza:

W1. Student posiada wiedzę w zakresie fizyki oraz matematyki niezbędną do opisu protokołów komunikacji kwantowej oraz analizy ich działania w sytuacjach realistycznych – fizyka: K_W01, K_W02, fizyka techniczna: K_W01.


W2. Student zna podstawową problematykę oraz wybrane zagadnienia związane z realistyczną komunikacją kwantową – fizyka: K_W05.


W3. Student zna zasadę działania oraz podstawową charakterystykę aparatury badawczej niezbędnej do eksperymentalnej realizacji protokołów komunikacji kwantowej w stopniu pozwalającym na zaplanowanie takiej realizacji oraz przewidzenie jej rezultatów – fizyka: K_W03, K_W04, fizyka techniczna: K_W02, K_W03.


W4. Student posiada wiedzę o aktualnym stopniu rozwoju komunikacji kwantowej oraz perspektywach jej dalszego rozwoju w bliskiej przyszłości – fizyka: K_W06, fizyka techniczna: K_W01.

Efekty uczenia się - umiejętności:

U1. Student posiada umiejętność opisu matematycznego oraz analizy działania protokołów komunikacji kwantowej w sytuacji realistycznej – fizyka: K_U01, fizyka techniczna: K_U01.


U2. Student potrafi samodzielnie wyszukiwać informacje w anglojęzycznej literaturze fachowej – fizyka: K_U04, fizyka techniczna: K_U04.


U3. Student potrafi określić kierunki dalszego zdobywania kompetencji w tematyce związanej z realistyczną komunikacją kwantową – fizyka: K_U09, fizyka techniczna: K_U08.


U4. Student ma umiejętności językowe pozwalające na swobodną komunikację w zakresie fizyki objętym wykładem – fizyka: K_U10, fizyka techniczna: K_U10.

Efekty uczenia się - kompetencje społeczne:

K1. Student zna ograniczenia własnej wiedzy i rozumie potrzebę dalszego kształcenia się – fizyka: K_K01, fizyka techniczna: K_K01.

Metody dydaktyczne:

wykład monograficzny, bez ćwiczeń rachunkowych

Metody dydaktyczne podające:

- wykład informacyjny (konwencjonalny)
- wykład problemowy

Skrócony opis:

Celem wykładu jest prezentacja szeregu protokołów komunikacji kwantowej oraz omówienie podstawowych zagadnień dotyczących realizacji tych protokołów w praktyce, ze szczególnym uwzględnieniem trudności i zagrożeń wynikających z niedoskonałości niezbędnych komponentów sprzętowych oraz sposobów radzenia sobie z nimi.

Pełny opis:

W czasie wykładu planowane jest omówienie następujących zagadnień:

1. Kryptografia klasyczna: krótka historia kryptografii, protokół RSA, procedury korekty błędów i wzmocnienia prywatności.

2. Kryptografia kwantowa w teorii na przykładzie protokołu BB84.

3. Podstawowe problemy implementacyjne protokołów kwantowej dystrybucji klucza kryptograficznego opartych na przesyłaniu sygnałów jednofotonowych.

4. Charakteryzacja realistycznych źródeł oraz detektorów pojedynczych fotonów.

5. Analiza bezpieczeństwa protokołów kwantowej dystrybucji klucza kryptograficznego w praktyce.

6. Metody poprawy bezpieczeństwa protokołów wykorzystujących niedoskonałe źródła fotonów: protokół SARG04, metoda decoy-pulse.

7. Dystrybucja klucza kryptograficznego bez użycia sygnałów jednofotonowych: wykorzystanie stanów koherentnych i ściśniętych, tzw. protokoły z dystrybucją fazy referencyjnej.

8. Konie trojańskie i inne niestandardowe próby podsłuchu wykorzystujące niedoskonałości sprzętowe.

9. Interferencja kwantowa.

10. Wykorzystanie interferencji kwantowej do generacji klucza kryptograficznego bez przesyłania jakichkolwiek fizycznych obiektów.

11. Paradoks EPR, splątanie kwantowe i nierówności Bella.

12. Wykorzystanie splątania w kryptografii kwantowej: protokół E91.

13. Kryptografia kwantowa niezależna od sprzętu.

14. Wpływ skończonej długości klucza kryptograficznego na jego bezpieczeństwo.

15. Dystrybucja klucza kryptograficznego z wykorzystaniem komercyjnie dostępnych światłowodów telekomunikacyjnych, transmitujących równolegle silne sygnały klasyczne: podstawowe trudności i perspektywy realizacji.

16. Teleportacja kwantowa: z udziałem pojedynczych fotonów, stanów koherentnych, pomiędzy światłem i materią oraz pomiędzy dwoma obiektami atomowymi.

17. Wymiana splątania.

18. Przekaźniki kwantowe.

19. Koncepcja kwantowych sieci komunikacyjnych i perspektywy ich realizacji.

20. Komunikacja kwantowa z wykorzystaniem procesów o nieustalonym porządku czasowym.

Dodatkowo na różnych etapach wykładu w zależności od bieżących potrzeb omawiane będą podstawowe zagadnienia optyki kwantowej (np. właściwości poszczególnych stanów pola elektromagnetycznego, zasada nieoznaczoności Heisenberga dla światła, podstawy opisu detekcji fotonu, twierdzenie o nieklonowaniu) oraz teorii informacji (np. entropia Shannona, entropia von Neumanna, wielkości Holevo, pojemność kanałów komunikacyjnych).

Literatura:

Literatura podstawowa:

1. Książki:

- C. C. Gerry, P. L. Knight, Introductory Quantum Optics, Cambridge University Press, Cambridge, 2004 (polska wersja: Wstęp do optyki kwantowej, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2007).

- N. A. Nielsen, I. L. Chuang, Quantum computation and quantum information, Cambridge University Press, Cambridge, 2006.

2. Artykuły przeglądowe:

- V. Scarani, H. Bechmann-Pasquinucci, N. J. Cerf, M. Dusek, N. Lutkenhaus, M. Peev, The security of practical quantum key distribution, Rev. Mod. Phys. 81, 1301 (2009).

- M. D. Eisaman, J. Fan, A. Migdall, S. V. Polyakov, Single-photon sources and detectors, Rev. Sci. Instrum. 82, 071101 (2011).

- S. Pirandola, J. Eisert, C. Weedbrook, A. Furusawa, S. L. Braunstein, Advances in quantum teleportation, Nat. Photonics 9, 641 (2015).

- N. Sangouard, C. Simon, H. de Riedmatten, N. Gisin, Quantum repeaters based on atomic ensembles and linear optics, Rev. Mod. Phys. 83, 33 (2011).

Literatura uzupełniająca: szereg artykułów naukowych podanych przez nauczyciela w czasie trwania wykładu.

Metody i kryteria oceniania:

Egzamin pisemny (weryfikacja efektów kształcenia W1, W2, W3, W4, U1 i U4), kryteria oceniania:

- 1: 0-50 % punktów

- 3: 50-60 % punktów

- 3+: 60-70 % punktów

- 4: 70-80 % punktów

- 4+: 80-90 % punktów

- 5: 90-100 % punktów

Praktyki zawodowe:

brak

Przedmiot nie jest oferowany w żadnym z aktualnych cykli dydaktycznych.
Opisy przedmiotów w USOS i USOSweb są chronione prawem autorskim.
Właścicielem praw autorskich jest Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu.
ul. Jurija Gagarina 11, 87-100 Toruń tel: +48 56 611-40-10 https://usosweb.umk.pl/ kontakt deklaracja dostępności USOSweb 7.0.2.0-1 (2024-03-12)