Departamento de Informática (UM)

Fundamentos da Computação Quântica

17023 [J306Q5]

Licenciatura em Engenharia Informática [ENGINF]

S2

Luís Manuel Dias Coelho Soares Barbosa

Objetivos

Os conteúdos programáticos propostos acima visam permitir ao aluno adquirir os conhecimentos básicos para seguir uma carreira na área da Computação Quântica, não só a nível académico mas também a nível empresarial. Neste sentido, os conteúdos incidem precisamente nas bases matemáticas necessárias para tal e também nas bases da algoritmia quântica.
Em complemento (e também para que os alunos possam ver a teoria aplicada à prática) a UC irá tirar partido da framework Qiskit como ferramenta laboratorial. Esta será usada para implementar diversos algoritmos quânticos, bem como analisar e simular as execuções correspondentes. Entende-se assim que o aluno irá obter conhecimento em todo o espectro da área, indo de aspectos fundacionais, teóricos, a elementos mais práticos e com aplicabilidade directa em contexto empresarial.

Programa

1. Álgebra linear de dimensão finita para mecânica quântica
1.1. Produto interno, norma, e base ortonormal;
1.2. Notação de Dirac;
1.3. Soma directa e tensor de espaços vectoriais;
1.4. Classes relevantes de operadores.
2. Fundamentos da informação quântica
2.1. A noção de qubit e sua representação na esfera de Bloch;
2.2. Operações sobre um qubit;
2.3. Sistemas de múltiplos qubits e operações relevantes;
2.4. Medição quântica;
2.5. Entrelaçamento quântico e suas aplicações.
3. Algoritmia quântica
3.1. Introdução aos algoritmos quânticos;
3.2. Algoritmos baseados em amplificação de fase;
3.3. Algoritmos baseados na transformada de Fourier quântica;
3.4. Algoritmos híbridos clássico-quânticos.
4. Programação quântica
4.1. Programação quântica em Qiskit.

Bibliografia

M. A. Nielsen and I. L. Chuang. Quantum Computation and Quantum Information (10th Anniversary Edition). Cambridge University Press, 2010.

Hiu Yung Wong, Introduction to Quantum Computing, Springer, 2022.

E. Rieffel and W. Polak. Quantum Computing: A Gentle Introduction. MIT Press, 2011.

F. Kaye, R. Laflamme and M. Mosca. An Introduction to Quantum Computing. Oxford University Press, 2007.

N. S. Yanofsky and M. A. Mannucci. Quantum Computing for Computer Scientists. Cambridge University Press, 2008.

Resultados da aprendizagem

Após concluir a UC com aproveitamento, o aluno deverá:
- conhecer os conceitos fundamentais da informação quântica e da computação quântica;
- ser proficiente no uso do modelo computacional quântico padrão;
- compreender as principais técnicas algorítmicas quânticas, e ser capaz de as utilizar na concepção e análise de novos algoritmos quânticos;
- ser capaz de implementar e executar algoritmos quânticos no kit de desenvolvimento de software Qiskit;
- estar familiarizado com as diferentes aplicações da computação quântica e suas limitações.
Estas competências constituem conhecimentos essenciais base para que o aluno possa posteriormente seguir uma carreira na área da Computação Quântica, quer em contexto académico ou contexto empresarial.

Método de avaliação

Caso o número de alunos assim o permita, a avaliação será contínua com base em trabalhos de casa individuais (35%) e projetos exploratórios que envolvam o Qiskit (65%). Se o número de alunos for elevado então parte desta avaliação contínua, nomeadamente a componente dos trabalhos de casa, será convertida num exame final (35%).

Funcionamento

Turno: T 1; Docente: Luís Manuel Dias Coelho Soares Barbosa; Dep.: DI; Horas: 30.
Turno: TP 1; Docente: André Manuel Resende Sequeira; Dep.: DI; Horas: 30.