《量子计算与通信》课程教学大纲

《量子计算与通信》教学大纲一、课程基本信息课程名称量子计算与通信QuantumComputationandCommunication课程编码SCC622221020开课院部理学院课程团队量子计算与通信学分2.0课内学时32讲授32实验0上机0实践0课外学时32适用专业光电信息科学与工程授课语言中文先修课程量子力学、激光原理与技术、光通信原理与技术课程简介（限选）量子计算与通信是以量子力学为基础，把量子系统“状态”所带有的物理信息，进行信息编码、计算和传输的全新信息技术。它们是打破现有信息技术安全和容量瓶颈限制的新型技术，具有广阔的应用前景，因而不仅具有重大的科学意义更对未来社会的发展具有重大的战略意义，它们的发展正引起人们广泛的关注和研究。本课程为光电信息科学与工程专业公共选修课程，它的主要内容包括量子信息的基本概念、量子信息的物理基础、量子计算和通信的原理和方法。课程的教学目标是使学生了解量子计算与量子通信的发展历史、现状和趋势，建立量子计算与量子通信的基本概念，掌握量子计算与量子通信的研究方法和相关器件的工作原理；并能将相关的理论和方法运用到光电领域复杂工程问题的解决中、为进一步学习其它专业课程或从事科研工作奠定基础。Quantumcomputingandcommunicationisanewinformationtechnologybasedonquantummechanics,whichencodes,calculatesandtransmitsthephysicalinformationcontainedinthestateofquantumsystem.Theyarenewtechnologiesthatbreakthelimitationsofexistinginformationtechnologysecurityandcapacity,andhavebroadapplicationprospects.Therefore,theyarenotonlyofgreatscientificsignificancebutalsoofgreatstrategicsignificanceforthefuturedevelopmentofsociety.Theirdevelopmentisattractingextensiveattentionandresearch.ThiscourseisapublicelectivecourseforOptoelectronicInformationScienceandEngineering.Itsmaincontentsincludethebasicconceptsofquantuminformation,thephysicalbasisofquantuminformation,andtheprinciplesandmethodsofquantumcomputingandcommunication.Thegoalofthecourseistoenablestudentstounderstandthedevelopmenthistory,currentsituationandtrendofquantumcomputingandquantumcommunication,establishthebasicconceptsofquantumcomputingandquantumcommunication,mastertheresearchmethodsofquantumcomputingandquantumcommunicationandtheworkingprinciplesofrelateddevices,andbeabletoapplyrelevanttheoriesandmethodstothesolutionofcomplexengineeringproblemsinthefieldofoptoelectronics.Tolaythegroundworkforfurtherstudyofotherspecializedcoursesorinscientificresearch.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1目标1：能够掌握量子计算与通信领域所涉及的基本概念、理论，分析现有系统的工作原理和相关器件的设计方法。是2.22.22M2目标2：能够将量子计算与通信的理论和方法应用到解决相关光电领域的复杂工程问题中。是3.33.33M3目标3：能够关注量子计算与通信领域前沿的研究动态，具有终身学习的能力。是10.210.2三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外学时课外环节1第一章量子信息的基础知识本章重点难点：重点是量子比特、量子克隆，难点是量子比特的测量和量子克隆原理。/////21.11.1量子信息简介量子计算、量子通信、量子模拟。M11讲授1线上学习教学大纲31.21.2量子比特Bloch球、量子比特的测量。M12讲授2作业41.31.3量子克隆对称量子克隆、非对称量子克隆、概率量子克隆、混合态量子克隆。M11讲授1作业5第二章量子隐形传态本章重点难点：重点是量子力学的基本假设、量子纠缠、量子隐形态传输、贝尔不等式，难点是量子纠缠度量、判断，量子隐形传态的原理。/////62.12.1量子力学的基本假设状态空间假设、力学量算符假设、量子态演化假设、测量假设、复合系统假设、量子力学假设的密度算子描述。M11讲授1作业72.22.2量子纠缠量子纠缠态的概念、量子纠缠态的度量、量子纠缠态的判断、纠缠交换与纠缠提纯。M11讲授1作业82.32.3量子隐形传态量子隐形传态的基本原理和思想、量子隐形传态的实现方法、量子隐形传态的实验进展、量子比特隐形传态实验。M32讲授2专题报告92.42.4多量子比特的隐形传态双粒子量子隐形传态、三粒子量子隐形传态、多粒子量子隐形传态。M11讲授1作业10第三章量子计算的原理本章重点难点：重点是量子逻辑门、量子算法。难点是各种量子逻辑门的原理，Grover量子搜索算法，Shor量子算法。/////113.13.1量子计算的线路模型量子叠加态、量子寄存器。M11讲授1作业123.23.2量子逻辑门单量子比特门、受控门的产生、通用量子门。M22讲授2作业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讲授1作业143.43.4量子算法Shor量子算法、量子傅里叶变换、Grover量子搜索算法、Deutsch算法。M12讲授2作业15第四章量子计算机本章重点难点：重点是量子编码、量子存储。难点是量子计算机的实现方案。/////164.14.1现代计算机的瓶颈摩尔定律、朗道热、不可逆计算。M11讲授1作业174.24.2量子计算机基本原理可逆计算、量子并行计算。M11讲授1作业184.34.3量子计算机实现方案离子阱、超导约瑟夫森结、液体核磁共振。M31讲授1作业194.44.4量子计算机研究进展量子霸权、量子计算机研究进展。M1,M32讲授2专题报告20第五章量子秘钥本章重点难点：重点是BB84和B92协议、单光子通信、纠缠双光子通信，难点是BB84协议的原理，量子秘钥分发。/////215.15.1经典加密方式明文、秘钥、加密算法、密文、解密秘钥。M11讲授1作业225.25.2量子保密通信量子保密通信系统、量子密钥。M11讲授1作业235.35.3量子秘钥产生方法BB84协议、B92协议。M22讲授2作业245.45.4各种QKD系统的原理与实现基于偏振QKD编码系统的原理与实现、基于相位QKD编码系统的原理与实现、基于纠缠QKD编码系统的原理与实现。M11讲授1作业255.55.5量子安全通信Ping-Pong安全通信协议；基于单光子的量子安全通信；基于双光子的量子安全通信。M31讲授1作业26第六章量子信道和量子通信网络本章重点难点：重点是量子信道模型、光纤量子信道、量子通信网络的架构、量子通信网络交换技术、量子中继器、量子通信实验网，难点是量子中继原理。/////276.16.1量子信道概述量子信道的酉变换和测量算子表示、量子信道的公理化表示。M11讲授1作业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讲授0.5作业296.36.3光纤量子信道光纤量子信道损耗、光纤量子信道的偏振面色散、量子信号在光纤中的传输。M11讲授1作业306.46.4自由空间量子信道自由空间量子信道特点、自由空间量子信道传输特性。M20.5讲授0.5作业316.56.5量子通信网络的体系结构量子通信网络的架构；量子通信网络中的多址技术；量子通信网络的拓扑。M11讲授1作业326.66.6量子中继量子中继实现原理、量子中继器。M21讲授1作业336.76.7量子通信实验网DARPA量子通信网络；欧洲的量子通信网络；东京量子通信网络；中国的量子通信实验网。M1,M31讲授1作业四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时作业1.每周布置4~6道题目，平均每次课2道题以上。2.成绩采用百分制，根据作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。3.考核学生对量子计算与通信基本知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力题型主要有论述题、问答题和计算题。20%2专题报告1.本课程要求学生对量子信息领域中的某种理论或方法的应用进行探讨或者瞄准量子计算与通信领域中的新进展撰写文献报告。2.主要培养学生利用掌握的理论或方法解决光电领域复杂工程问题，以及关注科技发展前沿动态进行终身学习的能力。20%3随堂测试测试学生对课堂讲授知识的预习和掌握情况。20%4期末考试1.开卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分100分。2.主要考核学生对量子计算与通信基本知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主要有填空题、选择题、简答题、分析题、计算题、论述题等。40%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1M1平时作业30%A:独立思考、按时完成，作图规范，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确。B:独立思考、按时完成，作图比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式合理、答案准确。C:独立思考、按时完成，作图比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式比较合理、答案准确。D:作业抄袭，未能按时完成，作图不规范，解题思路混乱。2M1随堂测试30%由雨课堂每次课测验的成绩累积。3M1期末考试40%根据试卷标准答案和评分标准评定。4M2平时作业30%A:独立思考、按时完成，作图规范，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确。B:独立思考、按时完成，作图比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式合理、答案准确。C:独立思考、按时完成，作图比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式比较合理、答案准确。D:作业抄袭，未能按时完成，作图不规范，解题思路混乱。5M2随堂测试30%由雨课堂每次课测验的成绩累积。6M2期末考试40%根据试卷标准答案和评分标准评定。7M3专题报告70%A:能根据所学理论和方法对量子信息领域中的新进展进行讨论或设计，相关描述完善、逻辑性较强，对相关领域的前沿发展动态有丰富的了解和阐述，论文撰写结构合理。B:能根据所学理论和方法对量子信息领域中的新进展进行讨论或设计，但是相关描述不够完美，对相关领域的前沿发展动态有较多的了解，论文撰写结构合理，缺乏最新参考文献。C:能根据所学理论和方法对量子信息领域中的新进展进行讨论或设计，但是相关描述粗糙，对相关领域的前沿发展动态有较少的了解，论文撰写逻辑性不强，参考文献较少。D:能根据所学理论和方法对量子信息领域中的进展进行简单的讨论或设计，但是相关阐述不精确或者所采用的方法不当，对相关研究对象的发展动态不了解。论文字数不足，格式混乱。