Sistemas físicos para la información cuántica

Esta materia se ofrece en el Máster Universitario en Física (MF) y en el Máster Universitario en Ciencia y Tecnologías de la Información Cuántica (MCTIC). Los objetivos son los siguientes:

MF:
-Comprender conceptualmente (principios físicos) las diferentes implementaciones físicas de operaciones computacionales y cifrado cuántico: generación de N-qudits, manipulación y detección física de N-qudits.
-Saber implementar (configurar y diseñar) componentes y circuitos cuánticos elementales para computación cuántica con diferentes sistemas físicos.
-Saber implementar diferentes protocolos de encriptación cuántica con sistemas fotónicos o híbridos, utilizando diferentes fuentes cuánticas.
-Conocer las ventajas y limitaciones de cada uno de los sistemas físicos de información cuántica.
-Comprender las diferentes técnicas físicas para la detección de estados qubit (N-qudits) en diferentes sistemas físicos.
-Conocer y saber aplicar estrategias para configurar sistemas fotónicos y opto-atómicos que implementen operaciones fundamentales en el campo de la computación y el cifrado cuántico.
-Conocer y saber aplicar estrategias para configurar sistemas superconductores y de estado sólido que implementen operaciones fundamentales en el campo de la computación cuántica.
-Conocer y saber aplicar estrategias para configurar sistemas de detección de estados cuánticos en sistemas fotónicos, superconductores y de estado sólido.

Resultados del aprendizaje
Los estudiantes tendrán una visión general de los diferentes sistemas físicos de información cuántica, y deberán ser capaces de:
-Comprender conceptualmente (principios físicos) las diferentes implementaciones físicas de operaciones computacionales y cifrado cuántico: generación de N-qudits, manipulación y detección física de N-qudits.
-Saber implementar (configurar y diseñar) componentes y circuitos cuánticos elementales para computación cuántica con diferentes sistemas físicos.
-Saber implementar diferentes protocolos de encriptación cuántica con sistemas fotónicos o híbridos, utilizando diferentes fuentes cuánticas.
-Conocer las ventajas y limitaciones de cada uno de los sistemas físicos de información cuántica.
-Comprender las diferentes técnicas físicas para detectar estados qubit (N-qudits) en diferentes sistemas físicos.



MCTIC:
Esta asignatura proporciona al alumno los aspectos teóricos y las herramientas conceptuales y formales para conocer con profundidad implementaciones físicas, utilizando diferentes sistemas físicos, de operaciones cuánticas de procesamiento y computación cuántica, comunicaciones cuánticas y metrología cuántica. Los sistemas estudiados son sistemas totalmente fotónicos, opto-atómicos (cavidades cuánticas, iones atrapados, redes ópticas,...), de materia condensada (RMN, puntos cuánticos,...) y superconductores. Finaliza con el estudio de diferentes sistemas de detección de estados cuánticos de 1-qubit, 2-qubit y en general N-qubit y N-qudit.

Los resultados del aprendizaje
CON6.-Adquirir conocimientos sobre sistemas físicos capaces de realizar tratamientos de información en grados de libertad cuánticos.
CON7.-Tener conocimientos sobre óptica cuántica y el papel y las propiedades de la luz y su manipulación en el procesamiento de la información y las comunicaciones cuánticas.
CON8.-Tener conocimientos sobre complejidad computacional, las nuevas clases de complejidad y las oportunidades que ofrece la computación cuántica para abordar problemas de clase NP

Los contenidos para el MF y el MCTIF son los mismos, a saber:

-Sistemas fotónicos con elementos ópticos discretos (divisores, retardadores, ...), elementos micro-ópticos e integrados lineailes (acopladores direccionales, ...), elementos non lineales y topológicos, etc., para computación cuántica de propósito específico, para simulación física, para comunicaciones cuánticas (teleportación cuántica fotónica, criptografía con estados de luz cuántica no entrelazada y entrelazados, comunicación densa,...), y para metrología cuántica.
-Sistemas opto-atómicos (y óptica atómica) para computación cuántica de propósito general y específico. Interacción Jaynes-Cummings Luz-Materia y el efecto Ramsey. Cavidades opto-cuánticas. Sistemas de iones atrapados. Sistemas de redes ópticas.
-Sistemas de materia condensada para computación cuántica de propósito específico y general, para simulación cuántica y para metrología cuántica. Sistemas de RMN. Sistemas de CNV. Sistemas semiconductores de puntos cuánticos.
-Sistemas superconductores para computación cuántica de propósito general y específico, para simulación cuántica y para metrología cuántica. Uniones Josephson. Qbits de carga y caudal.
-Sistemas de detección y medida de estados de N-qubits y N-qudits. Métodos de coincidencias. Métodos de ionización de campo. Método Electron-Shelving. Método FID (RMN). Medición del número de fotones, etc.

Bibliografía Básica
-Material docente elaborado por los profesores sobre "Sistemas Físicos para Información Cuántica" ubicado digitalmente en el Aula Virtual de la materia.

Bibliografía Complementaria
-P.Lambropoulos, D. Petrosyan, Fundamentals of Quantum Optics and Quantum Information, Springer 2007.
-M.Nakahara and T. Ohmi, Quantum Computing, from Linear Algebra to Physical Realizations, CRC Press, 2008.
-G.Chen et.al., Quantum Computing Devices, Principles, Designs and Analysis, Chapman and Hall /CRC 2007.
-P.Kok and B. W. Lovett, Introduction to Optical Quantum Information Processing Cambridge Univ Press. 2010.
-D.Bouemeester, A. Ekert, A. Zeilinger (Editors), The Physics of Quantum Information: Quantum Cryptography, Quantum Teleportation, Quantum Computation. Springer


Recursos bibliográficos en la red
-En el material docente elaborado por los profesores sobre "Sistemas Físicos para Información Cuántica" ubicado na Aula Virtual hay enlaces a páginas web.
-Pathak A., Banerjee A., Optical Quantum Informaction and Quantum Communications, http://dx.doi.org/10.1117/3.2240896
-G.Grynberg, A.Aspect, C.Fabre, Introduction to Quantum Optics
http://www.fulviofrisone.com/attachments/article/404/intoduction%20to%2…

MF
CG01 - Adquirir la capacidad de realizar trabajos de investigación en equipo.
CG02 - Tener capacidad de análisis y de síntesis.
CG03 - Adquirir la capacidad para redactar textos, artículos o informes científicos conforme a los estándares de publicación.
CG04 - Familiarizarse con las distintas modalidades usadas para la difusión de resultados y divulgación de conocimientos en reuniones científicas.
CG05 - Aplicar los conocimientos a la resolución de problemas complejos.

CB6 - Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación.
CB7 - Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio.
CB8 - Que los estudiantes sean capaces de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios
CB9 - Que los estudiantes sepan comunicar sus conclusiones y los conocimientos y razones últimas que las sustentan a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades
CB10 - Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo.

CT01 - Capacidad para interpretar textos, documentación, informes y artículos académicos en inglés, idioma científico por excelencia.
CT02 - Desarrollar la capacidad para la toma de decisiones responsables en situaciones complejas y/o responsables.

CE07 - Adquirir la capacitación para el uso de las principales herramientas computacionales y el manejo de las principales técnicas experimentales de la Física Nuclear y de Partículas.
CE08 - Adquirir un conocimiento en profundidad de la estructura de la materia en el régimen de bajas energías y su caracterización.
CE11 - Adquirir conocimientos y dominio de las estrategias y sistemas de transmisión de la luz y la radiación.
CE12 - Proporcionar una formación especializada, en los distintos campos que abarca la Física Fundamental: desde la física medioambiental, la física de fluidos o la acústica hasta fenómenos cuánticos y de radiación con sus aplicaciones tecnológicas, médicas, etc.



MCTIC
Los alumnos que cursen esta asignatura adquirirán las capacidades y habilidades de pensamiento crítico y creativo, comunicación y trabajo colaborativo que se indican en el informe de verificación del título HD1,HD2,HD2,HD3. Además de las competencias básicas (CB1-CB5), generales (CG1-CG4) y transversales (CT1-CT8) especificadas en la memoria de verificación del título, los estudiantes adquirirán las siguientes competencias específicas de esta asignatura:
C4.-Conocer y ser capaz de aplicar las teorías físicas inherentes a la comprensión de los sistemas cuánticos de tratamiento de la información (fotónicos, de estado sólido, superconductores,...), incluida la termodinámica cuántica, así como los aspectos avanzados del magnetismo y la mecánica cuántica.
C6.-Conocer y comprender la naturaleza de las plataformas físicas para el tratamiento de la información cuántica en sistemas de estado sólido: sistemas superconductores, criociencia y materiales cuánticos, incluyendo el estudio de estados topológicos.

-Las horas presenciales se impartirán de acuerdo al calendario oficial del Máster, en las que se explicará, utilizando diferentes medios audiovisuales, los contenidos de la asignatura, se realizarán o introducirán ejercicios y problemas ilustrativos y/o explicativos de dichos contenidos.
-Los estudiantes recibirán un material (en general, en formato electrónico) que cubre tanto el desarrollo de los contenidos teóricos y los enunciados de ejercicios y problemas, como la descripción de aspectos más experimentales sobre los sistemas estudiados.
-Se utilizará el Campus Virtual de la USC para dar información general y específica sobre la materia, localizar material didáctico, proponer actividades, etc.

La evaluación de la asignatura consistirá básicamente en evaluación continua, teniendo en cuenta que:
-Es obligatorio asistir a las clases expositivas e interactivas y realizar los ejercicios propuestos en las mismas.
-Se propondrán trabajos específicos donde el alumno pondrá en práctica los métodos y técnicas aprendidos en algún aspecto concreto de la asignatura.
-Sólo excepcionalmente se considerará la posibilidad de realizar un examen en el caso de que no se haya cumplido alguno de los criterios anteriores y sea necesario evaluar si el alumno ha adquirido las competencias propias de la materia.

Actividades a evaluar y su peso en la nota global:
-Realización de los ejercicios (evaluación continua): 60%
-Presentación de trabajos y/o proyectos específicos (trabajo de ampliación): 40%

En el caso de que un alumno no pueda asistir a clase por causa justificada o tenga dispensa para asistir a clase, dicha asistencia será sustituida por otra actividad: en general, la realización de una prueba final, un trabajo, etc., en el criterio del profesor a cargo de la materia objeto de evaluación

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Para los casos de realización fraudulenta de ejercicios o pruebas, se estará a lo dispuesto en las “Normas para la evaluación del rendimiento académico de los alumnos y revisión de calificaciones”:

Artículo 16. Realización fraudulenta de ejercicios o pruebas.
La realización fraudulenta de un ejercicio o prueba exigida en la evaluación de una materia dará lugar a la calificación de suspenso en la correspondiente convocatoria, independientemente del proceso disciplinario que se pueda seguir contra el alumno infractor. Se considera fraudulento, entre otros, la creación de obras plagiadas o obtenidas de fuentes accesibles al público sin reelaboración o reinterpretación y sin citas a los autores y fuentes.

3 ECTS distribuidos como sigue:
Horas presenciales:
-Expositivo-Interactivas: 26 horas
Horas no presenciales (49 horas) dedicadas a:
-Estudio de los contenidos teóricos (conceptuales-formales)
-Realización de problemas/actividades
-Reelaboración de problemas/actividades

-Se recomienda, aunque no es imprescindible, que el estudiante tenga o adquiera conocimientos de Mecánica Cuántica, Óptica Cuántica y Física del Estado Sólido.
-Se recomienda leer los apuntes de clase todos los días y detectar las dudas para ser planteadas en el aula o en los tutorías.
-Se recomienda hacer (e incluso rehacer) los ejercicios, problemas y actividades propuestas con constancia.

-Esta materia está orientada á formación especializada no campo da información e as tecnoloxías cuánticas.
-É unha materia transversal, compatible dende calquera das especialidades ou módulos do Máster en Física e do Máster en Ciencia e Tecnoloxías da Información Cuántica.
-Se ben pode cursarse sen ter os fundamentos de información cuántica, recoméndase adquirilos.