Quantum Applications

Veranstalter

Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien

Dr. Sebastian Feld

Sprechstunde

auf Anfrage

Hörerkreis

Umfang:

  • V2Ü2 mit 6 ECTS-Punkte

Hörerkreis:

  • Vertiefendes Thema der Informatik/Medieninformatik für Bachelor
  • Master Informatik
  • Master Medieninformatik

Vorlesungstermin(e)
(Beginn:16.10.2019)

Vorlesung:

Mittwochs, 14-16 Uhr c.t.,
Pettenkoferstr. 14 - "Großer Hörsaal" F 1.02

 

Übung:

Freitags, 10-12 Uhr c.t.,
Frauenlobstr. 7  - "Sektionshörsaal" 060

Dienstags, 10-12 Uhr c.t.,
Pettenkoferstr. 14 - "Großer Hörsaal" F 1.02

Übungsbetrieb

Hinweise zu den Übungen siehe unten

Klausur

Die Klausur findet am Freitag, den 07. Februar 2020 von 18:15-19:45 Uhr im Hauptgebäude am Geschwister-Scholl-Platz 1 sowie ggfs. in Räumen der Theresienstr. 39 statt. Der Einlass beginnt ab 18:00 Uhr. Die fristgerechte Anmeldung über Uni2Work ist Zulassungsvoraussetzung. Die An- bzw. Abmeldung ist bis zum Sonntag, 02. Februar 2020, 23:59 Uhr freigeschaltet. Die genaue Raumaufteilung wird nach Ende der Anmeldefrist hier bekanntgegeben.

Die Klausureinsicht findet am Freitag, den 14. Februar 2020 von 9-10 Uhr im Raum G010 in der Oettingenstr. 67 statt. Bitte beachten Sie, dass es genau einen Termin für die Klausureinsicht gibt, nämlich den hier genannten Termin.

Weitere Hinweise zur Klausur siehe unten.

Nachholklausur

Informationen zur Nachholklausur werden noch bekanntgegeben.

Material zur Vorlesung

Siehe weiter unten.

Aktuelles

  • 03.02.2020: Für die Klausur am 07.02.2020 gilt folgende Sitzordnung:
    Hörsaal
    Anfangsbuchstabe
    Nachname
    A 240, HGB, Geschw.-Scholl-Platz 1 A – K
    M 218, HGB, Geschw.-Scholl-Platz 1 L – Z

    Innerhalb der Hörsäle wird es feste Platznummern geben. Bitte erfragen Sie diese beim Eintritt in den Hörsaal. Studenten mit Sonderbedingungen melden sich bitte vorab und kommen trotz obiger Platzordnung zum Hörsaal M 218 (HGB, Geschw.-Scholl-Platz 1). Der Einlass beginnt um 18:00 Uhr. Die Bearbeitungszeit beginnt um 18:15 Uhr. Bitte seien Sie rechtzeitig vor dem Einlass anwesend.

  • 22.01.2020: Die Klausureinsicht findet am Freitag, den 14. Februar 2020 von 9-10 Uhr im Raum G010 in der Oettingenstr. 67 statt.
  • 08.01.2020: Die Anmeldung zur Hauptklausur ist nun eröffnet. Die fristgerechte Anmeldung über Uni2Work ist Zulassungsvorraussetzung. Die An- bzw. Abmeldung ist bis zum Sonntag, 02. Februar 2020, 23:59 Uhr, freigeschaltet.
  • 28.11.2019: Im gestrigen Vorlesungstermin wurde die Public Climate School München kurz vorgestellt und einige Gedanken zum Thema „Grüne Optimierungsprobleme“ präsentiert. Die entsprechenden Slides sind, wie immer, unten bei Vorlesungsunterlagen zu finden.
  • 15.11.2019: Wie mehrfach angekündigt werden in der kommenden Woche die Vorlesung und die Übung getauscht. Das heißt: am Mittwoch, den 20.11. findet von 14-16 in der Pettenkofer die Übung statt und am Freitag, den 22.11. findet von 10-12 in der Frauenlob die Vorlesung statt.
  • 22.10.2019: Der morgige Vorlesungstermin (23.10.) muss leider krankheitsbedingt ausfallen. Eine entsprechende Mail wurde auch per uni2work-Kursmitteilung versendet.
  • 16.10.2019: Es wurden weitere Informationen bzgl. Übungsbetrieb und Klausuren veröffentlicht. Die erste Vorlesung findet am Mittwoch, den 16.10.2019 statt und die erste Übung am Freitag, den 25.10.2019.
  • 04.09.2019: Die Seite zu dieser Veranstaltung ist ab sofort online.

Inhalt der Vorlesung

Das Feld des Quantum Computing, das auf den Prinzipien der Quantenmechanik beruht und sogenannte Qubits als Informationseinheit benutzt, wird spätestens seit den Veröffentlichungen der Quantenalgorithmen von Shor und Grover in den 90er Jahren immer relevanter. Doch die Wissenschaft beschäftigt sich bereits länger mit der Möglichkeit eines Quantencomputers – so postulierte der berühmte Physiker Richard Feynman in seinem 1982 veröffentlichten Paper Simulating Physics with Computers, dass zur Simulation eines Quantensystems auch ein Quantencomputer benötigt werde. Dabei gibt es mehrere Ansätze bzw. Modelle für solche Quanten-Rechnerarchitekturen, wie z.B. Quantum Gate Computing und Adiabatic Quantum Computing. Inzwischen gibt es mit D-Wave Systems bereits eine erste Firma, die auf Basis des Adiabatic Quantum Computing eine Quantum Annealing Hardware gebaut hat.

In der Vorlesung wird der Ansatz des Quantum Annealing diskutiert, der auf dem adiabatischen Theorem beruht und mit dem algorithmischen Verfahren des Simulated Annealing verwandt ist. In diesem Rahmen werden Anwendungen zur Lösung von (kombinatorischen) Optimierungsproblemen besprochen und dabei ein kurzer Vergleich zwischen ‚klassischer‘ Komplexität und Quantenkomplexität gegeben.

Das Ziel der Vorlesung ist es, ein Verständnis für die quantenmechanischen Grundlagen des Quantum Computing zu entwickeln, Formalisierungen und Lösungsmethoden für (kombinatorische) Optimierungsprobleme kennenzulernen, sowie deren praktische Anwendung im Rahmen des Quantum Annealing zu üben. Dabei wird sowohl auf die mathematischen und physikalischen Grundlagen (Theorie), als auch die (eigene) Anwendung (Praxis) Wert gelegt.

Eine Auswahl der behandelten Themen lautet:

  • Rechnermodelle:
    • Turing Maschine, Von Neumann Architektur
    • Ansätze zur physikalischen Realisierung von Quantencomputern
    • Quantum Gate Computing vs. Adiabatic Quantum Computing
  • Grundlagen der Quantenmechanik und des Quantum Computing:
    • Zustand, Observable, Messung
    • Hamiltonians, Schrödingergleichung
    • Qubits und Qubit-Operationen
    • Superposition, Verschränkung und Teleportation von Zuständen
    • Quantenalgorithmen
  • Optimierung:
    • Ganzzahlige lineare / binäre / quadratische / kombinatorische Optimierung
    • Optimierungsprobleme (z.B. SAT, Knapsack, TSP, QAP, VRP)
    • klassische Komplexität / Quantenkomplexität
    • Exakte und (Meta-)Heuristische Lösungsverfahren
  • Quantum Annealing
    • Adiabatischer Algorithmus, adiabatisches Theorem
    • QUBO und Simulated Annealing
    • Ising und Quantum Annealing
    • Problem Hamiltonians
    • D-Wave Systems Quantum Annealing Hardware
  • Quantum Annealing Anwendungen:
    • Beispiele: Maximum Clique, Flight Gate Assignment, Robot Movement, Vehicle Routing, Portfolio Optimization

Übungen

An dieser Stelle werden Informationen zum Übungsbetrieb zur Verfügung gestellt.

  • Die Übung ist stark verwoben mit den Inhalten der Vorlesung und dient der Wiederholung und Vertiefung des Vorlesungsstoffes. Die Übung bestitzt zudem einen integrierten praktischen Anteil (Python-Programmierung).
  • In der Übung werden Teile des Vorlesungsstoffes nachgerechnet oder nachprogrammiert. Es soll möglichst kein neuer, über den in der Vorlesung hinaus gehender, Stoff vermittelt werden. Nach dem Übungstermin werden, sofern möglich, die Rechnungen oder der Programmcode über die Lehrstuhl-Webseite zur Verfügung gestellt.

Übungsmaterial

Siehe weiter unten.

Klausur

  • Es werden zwei Klausuren (Klausur und Nachklausur) angeboten.
  • Die Details finden sich weiter oben im Kopf der Seite sowie unter Aktuelles.
  • Für beide Klausuren gilt:
    • Es findet eine obligatorische Klausuranmeldung statt. Wenn Sie nur an der zweiten Klausur (Nachholklausur) teilnehmen möchten, müssen Sie sich nicht für die erste Klausur anmelden.
    • Achtung: Ein Nichterscheinen bei vorliegender Anmeldung führt zu einem "durchgefallen" in den Transkripts of Records, siehe hier.
    • Anmeldungen nach dem letzten Anmeldetermin werden nicht akzeptiert.
    • Nicht angemeldete Studierende können nicht an der jeweiligen Klausur teilnehmen.
    • Zur Klausur sind keinerlei Hilfsmittel außer Fremdwörterbüchern erlaubt.
    • Bringen Sie Ihren Studentenausweis und einen amtlichen Lichtbildausweis mit zur Klausur. Personen, die sich in der Klausur nicht ausweisen können, dürfen nicht an der Klausur teilnehmen. Es werden diesbezüglich keine Ausnahmen gemacht.
    • Der Prüfungsstoff beinhaltet die gesamten Inhalte aus Vorlesung und Übung.
    • Die Klausurergebnisse werden Ihnen an Ihre CIP-Pool Email-Adresse (<kennung>@cip.ifi.lmu.de) übermittelt. Sollten Sie mit dieser Datenübermittlung nicht einverstanden sein, so melden Sie dies bitte per E-Mail vor dem Klausurtermin.

Programme und Hilfsmittel

Literatur