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Tópicos Especiais

Introdução à computação quântica e informÔtica quântica (TEF-16)

Ementa:

Computação clÔssica reversível. Energia e informação. Fundamentos de mecânica quântica. Qubit. Circuitos quânticos. Algoritmo de Deutsch. Algoritmo de Grover. Transformada de Fourier quântica. Algoritmo de Shor. Criptografia clÔssica e quântica. Teorema de não-clonagem. Teleportação quântica. Implementações experimentais do computador quântico.

Programa da Disciplina:

1. Introdução Ć  computação clĆ”ssica 
1.1. A mĆ”quina de Turing 
1.1.1. Adição em uma mĆ”quina de Turing 
1.1.2. A tese de Church-Turing 
1.1.3. A mĆ”quina de Turing universal 
1.1.4. A mĆ”quina de Turing probabilĆ­stica 
1.1.5. O problema da parada 
1.2. O modelo de circuito da computação 
1.2.1. AritmĆ©tica binĆ”ria 
1.2.2. Portas lógicas elementares 
1.2.3. Computação clĆ”ssica universal 
1.3. Complexidade computacional 
1.3.1. Classes de complexidade 
1.3.2. O limite de Chernoff 
1.4. Computação de sistemas dinĆ¢micos 
1.4.1.Caos determinĆ­stico 
1.4.2. Complexidade algorĆ­tmica 
1.5. Energia e informação 
1.5.1. DemĆ“nio de Maxwell 
1.5.2. PrincĆ­pio de Landauer 
1.5.3. Extraindo trabalho da informação 
1.6. Computação reversĆ­vel 
1.6.1. Portas de Toffoli e Fredkin 
1.6.2. O computador de bolas de bilhar 
 
2. Introdução Ć  mecĆ¢nica quĆ¢ntica 
2.1. O experimento de Stern-Gerlach 
2.2. O experimento de Young da dupla fenda 
2.3. EspaƧos vetoriais lineares 
2.4. Os postulados da mecĆ¢nica quĆ¢ntica 
2.5. O paradoxo EPR e as desigualdades de Bell 
 
3. Computação quĆ¢ntica 
3.1. O qubit 
3.1.1. A esfera de Bloch 
3.1.2. Medindo o estado de um qubit 
3.2. O modelo de circuito da computação quĆ¢ntica 
3.3. Portas de 1 qubit 
3.3.1. RotaƧƵes da esfera de Bloch 
3.4. Portas controladoras e geração de emaranhamento 
3.4.1. A base de Bell 
3.5. Portas quĆ¢nticas universais 
3.5.1. Preparação do estado inicial 
3.6. Erros unitĆ”rios 
3.7. Avaliação de funƧƵes 
3.8. O somador quĆ¢ntico 
3.9. Algoritmo de Deutsch 
3.9.1. O problema de Deutsch-Jozsa 
3.9.2. Uma extensĆ£o de algoritmos de Deutsch 
3.10. Busca quĆ¢ntica 
3.10.1. Buscando um item entre quatro 
3.10.2. Buscando um item de N 
3.10.3. Visualização geomĆ©trica 
3.11. A transformada de Fourier quĆ¢ntica 
3.12. Estimação de fase quĆ¢ntica 
3.13. Encontrando autovalores e autovetores 
3.14. Determinação do perĆ­odo e algoritmo de Shor 
3.15. Computação quĆ¢ntica de sistemas dinĆ¢micos 
3.15.1. Simulação quĆ¢ntica da equação de Schrƶdinger 
3.15.2. O mapeamento dente-de-serra quĆ¢ntico 
3.15.3. Computação quĆ¢ntica da localização dinĆ¢mica 
3.16. Primeiras implementacƵes experimentais 
3.16.1. Portas elementares com qubits de spin 
3.16.2. SumĆ”rio das primeiras implementaƧƵes 
 
4. Comunicação QuĆ¢ntica 
4.1. Criptografia clĆ”ssica 
4.1.1. A cifra de Vernam 
4.1.2. A criptografia de chave pĆŗblica 
4.1.3. O protocolo RSA 
4.2. O teorema da nĆ£o-clonagem 
4.2.1. TransmissĆ£o de informação instantĆ¢nea? 
4.3. Criptografia quĆ¢ntica 
4.3.1. O protocolo BB84 
4.3.2. O protocolo E91 
4.4. Codificação densa 
4.5. Teleportação quĆ¢ntica 
4.6. Resumo das implementaƧƵes experimentais. 

Bibliografia:

BENENTI, Giuliano, Giulio Casati & Giuliano Strini., Principles of Quantum Computation and Information. Volume I: Basic Concepts, World Scientific, 2004.

STOLZE, Joachim e Dieter Suter, Quantum Computing. Wiley-VCH, Weinheim, 2004.

NIELSON, Michael A. e Isaac L. Chuang. Computação Quântica e Informação Quântica. Bookman, ISBN: 8536305541, Porto Alegre, 2005.

Shor’s Algorithm for Factoring Large Integers. (Tutoriral 2003, Renato Portugal et al.)
Grover’s Algorithm: Quantum Database Search. (Tutorial, 2003, Renato Portugal et al).

PORTUGAL, Renato, Carlile Campos Lavor, Luiz Mariano Carvalho e Nelson Maculan, Uma Introdução à Computação Quântica, SBMAC, 2003 pdt, Capa: eps, pdf.

PRESKILL, J., Notes on Quantum Computation,
http://www.theory.caltech.edu/people/preskill/ph229

A.Yu. Kitaev, A. H. Shen, and M.N. Vyalyi, Classical and Quantum Computation, American Mathematical Society, Providence, 2002.

W. H. Steeb and Y. Hardy, Problems & Solutions in Quantum Computing & Information, Word Scientific, River Edge, NJ, 2004.

Links sobre Computação e informação quânticas: http://members.fortunecity.de/fsasse/qc2005.html


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