Introduction to Quantum Networks (Vorlesung)

Vortragende/r (Mitwirkende/r)
Nummer0000004753
ArtVorlesung
Umfang2 SWS
SemesterSommersemester 2020
UnterrichtsspracheEnglisch
Stellung in StudienplänenSiehe TUMonline
TermineSiehe TUMonline

Termine

Teilnahmekriterien

Lernziele

Am Ende der Veranstaltung kennen die Teilnehmenden die Grundlagen (mathematische Darstellung von Qubits, Postulate) der Quantenmechanik, die bekannten grundlegenden Effekte der Quanteninformationstheorie (superdense coding, teleportation) sowie Protokolle wie BB84, graph states, entanglement routing und verschränkungsassistierte Reduktion von Interferenz. Die Teilnehmenden verstehen die Zusammenhänge dieser Effekte mit der Struktur aktueller TCP/IP Netzwerke. Sie haben gelernt den Netzwerksimulator QuNetSim nutzen und können so das erlernte Wissen kreativ einzusetzen um TCP/IP Netzwerke durch die Nutzung von Quantenkommunikation zu optimieren. Idealerweise sind sie befähigt, Kommunikationssysteme auf einen potentiell nutzbringenden Einsatz von Quantenkommunikationstechnik hin zu analysieren. Sie können das erlernte Wissen nutzen um zielgerichtet weiterführende Veranstaltungen in der Quanteninformationstheorie, der Netzwerktechnik oder der Entwicklung und Simulation von grundlegender Hardware für Quantenkommunikation zu besuchen.

Beschreibung

Ziel der Vorlesung ist es, die Teilnehmer an das Thema der "Quantenkommunikation" innerhalb eines für sie täglich erfahrbaren Rahmens heranzuführen. Die Verarbeitung von Informationen mit Hilfe von Quantentechnologie ist ein aktives Forschungsgebiet, auf welchem innerhalb der letzten 20 Jahre mit zunehmender Tendenz Industrieforschung betrieben wird. Die Industrieforschung fokussiert sich jedoch stark auf die Entwicklung von Quantencomputern. Quantenkommunikation wird bisher entweder als neue Möglichkeit für sichere Kommunikation oder als reine Grundlage für die Vernetzung von Quantencomputern wahrgenommen. In 2019 erzielte Ergebnisse welche auf Resultaten aus der Quanten-Spieltheorie und der klassischen Informationstheorie aufbauen zeigen jedoch auf, dass verschränkte Teilchenpaare auch als Ressource zur Koordination interferierender Kommunikationskanäle genutzt werden können. Die Arbeitsgruppe TQSD hat daher einen auf Python basierenden Netzwerksimulator entwickelt, welcher als erster Netzwerksimulator weltweit dazu gedacht ist, Quanteneffekte auf den Netzwerkschichten 2, 3 und 4 zu simulieren. Die Grundlagen der Nutzung von Verschränkung als Ressource für die Koordination in Kommunikationsnetzwerken sollen den Studierenden anhand theoretischer Modelle und konkreter Aufgaben in der Datenübertragung über den Netzwerksimulator vermittelt werden.

Inhaltliche Voraussetzungen

Lineare Algebra (notwendig), Interesse an mathematischer Modellierung und Programmierung mit Python. Broadband Communication Networks und Grundlagen Rechnernetze und Verteilte Systeme

Lehr- und Lernmethoden

Entwicklung und Präsentation der Vorlesungsinhalte an der Tafel. Vertiefung des Vorlesungsstoffes durch die Lösung von Aufgaben und Rechenbeispielen sowie durch Vorführung des Ablaufs von Algorithmen in QuNetSim während der Übung.

Studien-, Prüfungsleistung

Die Modulprüfung wird in Form einer mündlichen (30 bis max. 50 min) Prüfung erbracht. In dieser soll durch das Beantworten von Fragen und Darlegung eines Lösungsansatzes für ein gegebenes Problem nachgewiesen werden, dass die Studierenden die in Vorlesung und Übung behandelten Algorithmen zur verschränkungsassistierten Datenübertragung sicher einsetzen können. Die Fähigkeit zur Nutzung von QuNetSim wird zusätzlich durch die Bearbeitung von Aufgaben (alle 2 Wochen) nachgewiesen. Die Aufgaben können in Gruppen von bis zu 3 Personen erledigt werden. Die Aufgaben werden benotet und tragen 25% zur Gesamtnote bei. In der Prüfung wird die Fähigkeit, QuNetSim zu benutzen, durch Abfragen der zur Lösung der Aufgabe erforderlichen Routinen getestet.

Empfohlene Literatur

M. A. Nielsen, I. L. Chuang, "Quantum Computation and Quantum Information" R. Van Meter, "Quantum Networks”

Links