《量子計算與通信》課程教學(xué)大綱

《量子計算與通信》教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱量子計算與通信QuantumComputationandCommunication課程編碼SCC622221020開課院部理學(xué)院課程團(tuán)隊量子計算與通信學(xué)分2.0課內(nèi)學(xué)時32講授32實(shí)驗(yàn)0上機(jī)0實(shí)踐0課外學(xué)時32適用專業(yè)光電信息科學(xué)與工程授課語言中文先修課程量子力學(xué)、激光原理與技術(shù)、光通信原理與技術(shù)課程簡介（限選）量子計算與通信是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，把量子系統(tǒng)“狀態(tài)”所帶有的物理信息，進(jìn)行信息編碼、計算和傳輸?shù)娜滦畔⒓夹g(shù)。它們是打破現(xiàn)有信息技術(shù)安全和容量瓶頸限制的新型技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景，因而不僅具有重大的科學(xué)意義更對未來社會的發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義，它們的發(fā)展正引起人們廣泛的關(guān)注和研究。本課程為光電信息科學(xué)與工程專業(yè)公共選修課程，它的主要內(nèi)容包括量子信息的基本概念、量子信息的物理基礎(chǔ)、量子計算和通信的原理和方法。課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生了解量子計算與量子通信的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和趨勢，建立量子計算與量子通信的基本概念，掌握量子計算與量子通信的研究方法和相關(guān)器件的工作原理；并能將相關(guān)的理論和方法運(yùn)用到光電領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的解決中、為進(jìn)一步學(xué)習(xí)其它專業(yè)課程或從事科研工作奠定基礎(chǔ)。Quantumcomputingandcommunicationisanewinformationtechnologybasedonquantummechanics,whichencodes,calculatesandtransmitsthephysicalinformationcontainedinthestateofquantumsystem.Theyarenewtechnologiesthatbreakthelimitationsofexistinginformationtechnologysecurityandcapacity,andhavebroadapplicationprospects.Therefore,theyarenotonlyofgreatscientificsignificancebutalsoofgreatstrategicsignificanceforthefuturedevelopmentofsociety.Theirdevelopmentisattractingextensiveattentionandresearch.ThiscourseisapublicelectivecourseforOptoelectronicInformationScienceandEngineering.Itsmaincontentsincludethebasicconceptsofquantuminformation,thephysicalbasisofquantuminformation,andtheprinciplesandmethodsofquantumcomputingandcommunication.Thegoalofthecourseistoenablestudentstounderstandthedevelopmenthistory,currentsituationandtrendofquantumcomputingandquantumcommunication,establishthebasicconceptsofquantumcomputingandquantumcommunication,mastertheresearchmethodsofquantumcomputingandquantumcommunicationandtheworkingprinciplesofrelateddevices,andbeabletoapplyrelevanttheoriesandmethodstothesolutionofcomplexengineeringproblemsinthefieldofoptoelectronics.Tolaythegroundworkforfurtherstudyofotherspecializedcoursesorinscientificresearch.負(fù)責(zé)人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標(biāo)序號代號課程目標(biāo)OBE畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)任務(wù)自選1M1目標(biāo)1：能夠掌握量子計算與通信領(lǐng)域所涉及的基本概念、理論，分析現(xiàn)有系統(tǒng)的工作原理和相關(guān)器件的設(shè)計方法。是2.22.22M2目標(biāo)2：能夠?qū)⒘孔佑嬎闩c通信的理論和方法應(yīng)用到解決相關(guān)光電領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題中。是3.33.33M3目標(biāo)3：能夠關(guān)注量子計算與通信領(lǐng)域前沿的研究動態(tài)，具有終身學(xué)習(xí)的能力。是10.210.2三、課程內(nèi)容序號章節(jié)號標(biāo)題課程內(nèi)容/重難點(diǎn)支撐課程目標(biāo)課內(nèi)學(xué)時教學(xué)方式課外學(xué)時課外環(huán)節(jié)1第一章量子信息的基礎(chǔ)知識本章重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)是量子比特、量子克隆，難點(diǎn)是量子比特的測量和量子克隆原理。/////21.11.1量子信息簡介量子計算、量子通信、量子模擬。M11講授1線上學(xué)習(xí)教學(xué)大綱31.21.2量子比特Bloch球、量子比特的測量。M12講授2作業(yè)41.31.3量子克隆對稱量子克隆、非對稱量子克隆、概率量子克隆、混合態(tài)量子克隆。M11講授1作業(yè)5第二章量子隱形傳態(tài)本章重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)是量子力學(xué)的基本假設(shè)、量子糾纏、量子隱形態(tài)傳輸、貝爾不等式，難點(diǎn)是量子糾纏度量、判斷，量子隱形傳態(tài)的原理。/////62.12.1量子力學(xué)的基本假設(shè)狀態(tài)空間假設(shè)、力學(xué)量算符假設(shè)、量子態(tài)演化假設(shè)、測量假設(shè)、復(fù)合系統(tǒng)假設(shè)、量子力學(xué)假設(shè)的密度算子描述。M11講授1作業(yè)72.22.2量子糾纏量子糾纏態(tài)的概念、量子糾纏態(tài)的度量、量子糾纏態(tài)的判斷、糾纏交換與糾纏提純。M11講授1作業(yè)82.32.3量子隱形傳態(tài)量子隱形傳態(tài)的基本原理和思想、量子隱形傳態(tài)的實(shí)現(xiàn)方法、量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展、量子比特隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。M32講授2專題報告92.42.4多量子比特的隱形傳態(tài)雙粒子量子隱形傳態(tài)、三粒子量子隱形傳態(tài)、多粒子量子隱形傳態(tài)。M11講授1作業(yè)10第三章量子計算的原理本章重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)是量子邏輯門、量子算法。難點(diǎn)是各種量子邏輯門的原理，Grover量子搜索算法，Shor量子算法。/////113.13.1量子計算的線路模型量子疊加態(tài)、量子寄存器。M11講授1作業(yè)123.23.2量子邏輯門單量子比特門、受控門的產(chǎn)生、通用量子門。M22講授2作業(yè)133.33.3量子加法器量子半加器、一位量子全加器、多位量子加法器。M11講授1作業(yè)143.43.4量子算法Shor量子算法、量子傅里葉變換、Grover量子搜索算法、Deutsch算法。M12講授2作業(yè)15第四章量子計算機(jī)本章重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)是量子編碼、量子存儲。難點(diǎn)是量子計算機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案。/////164.14.1現(xiàn)代計算機(jī)的瓶頸摩爾定律、朗道熱、不可逆計算。M11講授1作業(yè)174.24.2量子計算機(jī)基本原理可逆計算、量子并行計算。M11講授1作業(yè)184.34.3量子計算機(jī)實(shí)現(xiàn)方案離子阱、超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)、液體核磁共振。M31講授1作業(yè)194.44.4量子計算機(jī)研究進(jìn)展量子霸權(quán)、量子計算機(jī)研究進(jìn)展。M1,M32講授2專題報告20第五章量子秘鑰本章重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)是BB84和B92協(xié)議、單光子通信、糾纏雙光子通信，難點(diǎn)是BB84協(xié)議的原理，量子秘鑰分發(fā)。/////215.15.1經(jīng)典加密方式明文、秘鑰、加密算法、密文、解密秘鑰。M11講授1作業(yè)225.25.2量子保密通信量子保密通信系統(tǒng)、量子密鑰。M11講授1作業(yè)235.35.3量子秘鑰產(chǎn)生方法BB84協(xié)議、B92協(xié)議。M22講授2作業(yè)245.45.4各種QKD系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)基于偏振QKD編碼系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)、基于相位QKD編碼系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)、基于糾纏QKD編碼系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)。M11講授1作業(yè)255.55.5量子安全通信Ping-Pong安全通信協(xié)議；基于單光子的量子安全通信；基于雙光子的量子安全通信。M31講授1作業(yè)26第六章量子信道和量子通信網(wǎng)絡(luò)本章重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)是量子信道模型、光纖量子信道、量子通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)、量子通信網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)、量子中繼器、量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，難點(diǎn)是量子中繼原理。/////276.16.1量子信道概述量子信道的酉變換和測量算子表示、量子信道的公理化表示。M11講授1作業(yè)286.26.2量子信道的算子和模型量子信道算子和表示、量子信道算子模型。M10.5講授0.5作業(yè)296.36.3光纖量子信道光纖量子信道損耗、光纖量子信道的偏振面色散、量子信號在光纖中的傳輸。M11講授1作業(yè)306.46.4自由空間量子信道自由空間量子信道特點(diǎn)、自由空間量子信道傳輸特性。M20.5講授0.5作業(yè)316.56.5量子通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)量子通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)；量子通信網(wǎng)絡(luò)中的多址技術(shù)；量子通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?。M11講授1作業(yè)326.66.6量子中繼量子中繼實(shí)現(xiàn)原理、量子中繼器。M21講授1作業(yè)336.76.7量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)DARPA量子通信網(wǎng)絡(luò)；歐洲的量子通信網(wǎng)絡(luò)；東京量子通信網(wǎng)絡(luò)；中國的量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)。M1,M31講授1作業(yè)四、考核方式序號考核環(huán)節(jié)操作細(xì)節(jié)總評占比1平時作業(yè)1.每周布置4~6道題目，平均每次課2道題以上。2.成績采用百分制，根據(jù)作業(yè)完成準(zhǔn)確性、是否按時上交、是否獨(dú)立完成評分。3.考核學(xué)生對量子計算與通信基本知識的掌握能力，學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力題型主要有論述題、問答題和計算題。20%2專題報告1.本課程要求學(xué)生對量子信息領(lǐng)域中的某種理論或方法的應(yīng)用進(jìn)行探討或者瞄準(zhǔn)量子計算與通信領(lǐng)域中的新進(jìn)展撰寫文獻(xiàn)報告。2.主要培養(yǎng)學(xué)生利用掌握的理論或方法解決光電領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，以及關(guān)注科技發(fā)展前沿動態(tài)進(jìn)行終身學(xué)習(xí)的能力。20%3隨堂測試測試學(xué)生對課堂講授知識的預(yù)習(xí)和掌握情況。20%4期末考試1.開卷考試，成績采用百分制，卷面成績總分100分。2.主要考核學(xué)生對量子計算與通信基本知識的掌握能力，學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力，題型主要有填空題、選擇題、簡答題、分析題、計算題、論述題等。40%五、評分細(xì)則序號課程目標(biāo)考核環(huán)節(jié)大致占比評分等級1M1平時作業(yè)30%A:獨(dú)立思考、按時完成，作圖規(guī)范，解題思路清晰、步驟完整、格式合理、答案準(zhǔn)確。B:獨(dú)立思考、按時完成，作圖比較規(guī)范，解題思路比較清晰、步驟比較完整、格式合理、答案準(zhǔn)確。C:獨(dú)立思考、按時完成，作圖比較規(guī)范，解題思路比較清晰、步驟比較完整、格式比較合理、答案準(zhǔn)確。D:作業(yè)抄襲，未能按時完成，作圖不規(guī)范，解題思路混亂。2M1隨堂測試30%由雨課堂每次課測驗(yàn)的成績累積。3M1期末考試40%根據(jù)試卷標(biāo)準(zhǔn)答案和評分標(biāo)準(zhǔn)評定。4M2平時作業(yè)30%A:獨(dú)立思考、按時完成，作圖規(guī)范，解題思路清晰、步驟完整、格式合理、答案準(zhǔn)確。B:獨(dú)立思考、按時完成，作圖比較規(guī)范，解題思路比較清晰、步驟比較完整、格式合理、答案準(zhǔn)確。C:獨(dú)立思考、按時完成，作圖比較規(guī)范，解題思路比較清晰、步驟比較完整、格式比較合理、答案準(zhǔn)確。D:作業(yè)抄襲，未能按時完成，作圖不規(guī)范，解題思路混亂。5M2隨堂測試30%由雨課堂每次課測驗(yàn)的成績累積。6M2期末考試40%根據(jù)試卷標(biāo)準(zhǔn)答案和評分標(biāo)準(zhǔn)評定。7M3專題報告70%A:能根據(jù)所學(xué)理論和方法對量子信息領(lǐng)域中的新進(jìn)展進(jìn)行討論或設(shè)計，相關(guān)描述完善、邏輯性較強(qiáng)，對相關(guān)領(lǐng)域的前沿發(fā)展動態(tài)有豐富的了解和闡述，論文撰寫結(jié)構(gòu)合理。B:能根據(jù)所學(xué)理論和方法對量子信息領(lǐng)域中的新進(jìn)展進(jìn)行討論或設(shè)計，但是相關(guān)描述不夠完美，對相關(guān)領(lǐng)域的前沿發(fā)展動態(tài)有較多的了解，論文撰寫結(jié)構(gòu)合理，缺乏最新參考文獻(xiàn)。C:能根據(jù)所學(xué)理論和方法對量子信息領(lǐng)域中的新進(jìn)展進(jìn)行討論或設(shè)計，但是相關(guān)描述粗糙，對相關(guān)領(lǐng)域的前沿發(fā)展動態(tài)有較少的了解，論文撰寫邏輯性不強(qiáng)，參考文獻(xiàn)較少。D:能根據(jù)所學(xué)理論和方法對量子信息領(lǐng)域中的進(jìn)展進(jìn)行簡單的討論或設(shè)計，但是相關(guān)闡述不精確或者所采用的方法不當(dāng)，對相關(guān)研究對象的發(fā)展動態(tài)不了解。論文字?jǐn)?shù)不足，格式混亂。