Guía docente de Información Cuántica y Aplicaciones (26711H1)

Curso 2022/2023
Fecha de aprobación: 20/06/2022

Grado

Grado en Física

Rama

Ciencias

Módulo

Física Matemática e Información Cuántica

Materia

Información Cuántica y Aplicaciones

Curso

4

Semestre

2

Créditos

6

Tipo

Optativa

Profesorado

Teórico

Lorenzo Luis Salcedo Moreno. Grupo: A

Práctico

  • Lorenzo Luis Salcedo Moreno Grupo: 1
  • Pablo Sánchez Puertas Grupo: 1

Tutorías

Lorenzo Luis Salcedo Moreno

Email
  • Primer semestre
    • Lunes de 10:00 a 12:00 (Despacho)
    • Martes de 10:00 a 12:00 (Despacho)
    • Miércoles de 10:00 a 12:00 (Despacho)
  • Segundo semestre
    • Lunes de 17:00 a 18:00 (Despacho)
    • Miércoles de 17:00 a 18:00 (Despacho)
    • Viernes de 10:00 a 14:00 (Despacho)

Pablo Sánchez Puertas

Email
  • Martes de 15:00 a 17:00 (Despacho)
  • Miércoles de 15:00 a 17:00 (Despacho)
  • Jueves de 15:00 a 17:00 (Despacho)

Prerrequisitos y/o Recomendaciones

Se recomienda haber superado las materias correspondientes a los módulos de Fundamentos cuánticos y Métodos matemáticos y programación. Poseer la capacidad de leer textos en inglés científico comprendiendo su contenido.

Breve descripción de contenidos (Según memoria de verificación del Grado)

  1. Entrelazamiento cuántico. Concepto; teorema de Einstein-Podolsky-Rosen y desigualdades de Bell; entropías cuánticas.
  2. Medida Cuántica. Teoría de la medida; desarrollos teóricos principales; interpretaciones y experimentos; base preferida y decoherencia.
  3. Desarrollos experimentales recientes. Indeterminación, complementariedad y dualidad interferométrica; gato de Schrödinger; elección retardada; borrado cuántico.
  4. Aplicaciones. Computación cuántica; teletransporte cuántico; criptografía cuántica; juegos cuánticos.

Competencias

Competencias generales

  • CG01. Capacidad de análisis y síntesis
  • CG02. Capacidad de organización y planificación
  • CG05. Capacidad de gestión de la información
  • CG08. Razonamiento crítico
  • CG09. Aprendizaje autónomo

Competencias específicas

  • CE01. Conocer y comprender los fenómenos y las teorías físicas más importantes.
  • CE06. Elaborar proyectos de desarrollo tecnológico y/o de iniciación a la investigación científica.
  • CE07. Trasmitir conocimientos de forma clara tanto en ámbitos docentes como no docentes.
  • CE09. Aplicar los conocimientos matemáticos en el contexto general de la física.

Resultados de aprendizaje (Objetivos)

Tras cursar satisfactoriamente la asignatura, el alumno:

a) Conocería:

  • Las principales cuestiones sobre fundamentos de la mecánica cuántica, la información cuántica, la computación cuántica y la comunicación cuántica.
  • El significado del entrelazamiento cuántico como fenómeno científico y herramienta tecnológica.
  • Nociones básicas sobre la concepción cuántica de la medida y los principales desarrollos teóricos relacionados.
  • Algunos de los más recientes desarrollos experimentales en el campo.
  • Las principales aplicaciones de la materia.

b) Debería:

  • Haber percibido la gran revolución conceptual que ha supuesto la teoría cuántica.
  • Haber comprendido los actuales debates interpretativos abiertos sobre la teoría cuántica y sus nuevos desarrollos teóricos generados, y haber realizado exposiciones coherentes sobre ellos.
  • Ser capaz de abordar la principal bibliografía relacionada, comprendiendo los problemas planteados y las implementaciones experimentales acometidas.
  • Haber comprendido la trascendencia sobre las aplicaciones actuales más importantes de la Información Cuántica, Computación Cuántica y la Comunicación Cuántica, y ser capaz de realizar explicaciones coherentes sobre ellas.

Programa de contenidos teóricos y prácticos

Teórico

Tema 1. Información clásica. Entropía de Shannon. Información mutua. Comunicación clásica. Codificación y compresión. Corrección de errores. Teoremas de Shannon y capacidad. Computación reversible y principio de Landauer. Criptografía clásica. Claves públicas.

Tema 2. Información Cuántica. Formalismo de la matriz densidad. Concepto y contenido de información cuántica. Sistemas bipartitos. Matriz densidad reducida. Decoherencia cuántica. La esfera de Bloch. Sistemas físicos de dos y más qubits. Medidas de información y de entrelazamiento. Descomposición de Schmidt. Purificaciones. Fidelidad. Separabilidad. Cota de Helstrom.

Tema 3. Comunicación Cuántica. Procesamiento de la información cuántica. Desigualdades de Bell. Teorema de Kochen-Specker y contextualidad. Criptografía y teleportación cuánticas. Capacidad cuántica. Cotas de Holevo y Schumacher.

Tema 4. Computación Cuántica. Protocolos cuánticos. Puertas lógicas cuánticas. Redes y circuitos cuánticos. Paralelismo cuántico. Algoritmos cuánticos. Computadores cuánticos. Corrección de errores.

Bibliografía

Bibliografía fundamental

BIBLIOGRAFÍA FUNDAMENTAL:

  • J.A. Bergou & M. Hillery, Introduction to the Quantum Information Processing (Springer, 2013).

  • T.M. Cover , J.A. Thomas, Elements of Information Theory (Wiley, 1991).

  • N. Abramson, Information Theory and Coding (McGraw-Hill, 1963).

  • R.G. Gallager, Information Theory and reliable communication (Wiley, 1983).

  • G. Benenti, G. Casati, and G. Strini, Principles of Quantum Computation and Information, vols. I y II (World Scientific, 2007).

  • B. Schumacher & M.D. Westmoreland, Quantum Processes, Systems and Information (Cambridge UP, 2010).

  • N. Nielsen & I.L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information (Cambridge UP, 2010).

  • M.M. Wilde, Quantum Information Theory (Cambridge UP, 2013).

  • S. Barnett, Quantum Information (Oxford UP, 2009).

  • J.A. Jones & D. Jaksch, Quantum Information, Computation and Communication (Cambridge UP, 2012).

  • I. Bengtsson & C. Zyczkowski, Geometry of Quantum States: An Introduction to Quantum Entanglement (Cambridge UP, 2006).

  • V. Vedral, Introduction to Quantum Information Science (Oxford UP, 2006).

  • G. Jaeger, Quantum Information: An Overview (Springer, 2007).

  • A. Albert et al, Quantum Information. An Introduction to Basic Theoretical Concepts and Experiments (Springer, 2001).

  • W.H. Steeb, Problems & Solutions in Quantum Computing & Quantum Information (World Scientific, 2004).

  • D. McMahon, Quantum Computing Explained (Wiley, 2008).

  • E. Desurvire, Classical and Quantum Information Theory: An Introduction for the Telecom Scientist (Cambridge UP, 2011).

Bibliografía complementaria

  • H.T. Williams, Discrete Quantum Mechanics (Morgan & Claypool Publishers, IOP, 2015).

  • D.C. Marinescu, Classical and Quantum Information (Academic Press, 2011).

  • E.G. Rieffel, Quantum Computing: A Gentle Introduction (M.I.T. Press, 2011).

  • A. Zagoskin, Quantum Engineering: Theory and Design of Quantum Coherent Structures (Springer, 2011).

  • A. Renyi, Diary on information theory (Wiley, 1987).

  • R.P. Feynman, Lectures on Computation (Addison-Wesley, 1996)

  • L. Brillouin, Science and Information Theory (Academic Press, 1962).

 

Metodología docente

  • MD01. Lección magistral/expositiva 

Evaluación (instrumentos de evaluación, criterios de evaluación y porcentaje sobre la calificación final)

Evaluación ordinaria

  • La evaluación será continua y se realizará mediante exámenes de teoría y problemas, prácticas de ordenador y trabajos opcionales, en los que los estudiantes tendrán que demostrar las competencias adquiridas.
  • Para la superación de la asignatura se requerirá un conocimiento uniforme y equilibrado de toda la materia.

La calificación del examen final constituirá el 70% de la nota y el 30% restante se evaluará según: participación en clase, entrega de trabajos y problemas, controles periódicos orales o escritos.

Evaluación extraordinaria

  • Opción 1. Un examen único que incluirá varias cuestiones teórico-prácticas y problemas que constituye el 100% de la nota.

  • Opción 2. Un examen único que incluirá varias cuestiones teórico-prácticas y problemas que constituye el 70% de la nota a sumar al 30% de la evaluación continua del curso si el alumno expresa explícitamente su preferencia por esta opción.

Evaluación única final

Evaluación única final: Aquellos estudiantes que, siguiendo la Normativa de la UGR en los términos y plazos que en ella se exigen, se acojan a esta modalidad de evaluación, realizarán un examen que incluirá varias cuestiones teórico-prácticas y problemas.