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Introduction to Quantum Networks

In dieser Blockveranstaltung  lernen Studierende mathematische Grundlagen und Protokolle der Quanteninformationstheorie sowie den Unterschied zwischen Quanten- und klassischen Korrelationen. Der Kursaufbau orientiert sich an den Erfordernissen der Kommunikationsnetze und fördert den intuitiven Zugang durch Programmierung von Protokollen im Netzwerksimulator QuNetSim. 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.

Dozent: Dr. rer. nat. Janis Nötzel

Dr. Janis Nötzel (*1981) studierte an der Technischen Universität Berlin Physik und promovierte an der Technischen Universität München. Er war als DFG Stipendiat an der Universität Autònoma de Barcelona und als Leiter eines EXIST Forschungstransfers an der Technischen Universität Dresden. An der TU München kombiniert er seine Erkenntnisse aus der mathematischen Modellierung und Produktentwicklung um Quantentechnologien für die Kommunikationsnetzwerke der Zukunft praktisch nutzbar zu machen. Dr. Janis Nötzels (*1981) Forschungsgebiet ist der Bereich des Designs von Quantenkommunikationssystemen. Als Teilgebiet und um adäquate Vergleiche zu ermöglichen werden auch klassische Systeme modelliert.

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.

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 / Online (abhängig von der Teilnehmerzahl und der Coronalage). Vertiefung des Vorlesungsstoffes durch die Lösung von Aufgaben und Rechenbeispielen sowie durch Vorführung des Ablaufs von Algorithmen in QuNetSim während der Übung.

 

Vorlesung und Übung:

Umfang (SWS): 4 SWS
Zeit: Dienstag - Donnerstag: 9:45 - 13:00 Uhr und 14:45 - 18:00 Uhr, Freitag: 9:45 - 13:00 Uhr
Ort: Online (Big Blue Button).
Zeitraum: 14.09.2021 - 17.09.2021
Sprache: Deutsch oder Englisch

Veranstaltung mit Credit Points: 6

Lehrevaluation:
Sehr geehrte Studierende, sehr geehrter Studierender,
Sie sind hiermit zur Stimmabgabe bei der Online-Befragung: Introduction
to Quantum Networks berechtigt. Bitte folgen Sie dem Link und authentifizieren Sie sich mit dem angegebenen Losungswort.

Die Losung lautet: YGLPV
Stimmabgabe unter: https://umfragen.tu-bs.de/evasys/online/

HINWEIS: Die angegebene Losung ist nicht mit Ihrer Person verbunden.
Ihre Stimmabgabe erfolgt garantiert anonym.

Studien- und 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  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.

Skript zur Vorlesung: Skript.
Passwort: Bitte bei Frau Schleicher erfragen.

Empfohlene Literatur:

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

Weiterführende Links:

Link zum Github Projekt mit dem Quanten-Netzwerk-Simulator: https://github.com/tqsd/QuNetSim

Zusätzlicher Praxistermin:
Es wird einen zusätzlichen Praxistermin geben.
Bitte tragen Sie sich zur Terminfindung in die Umfrage ein.
 

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