Kuantum Programlamaya Giriş Dersi Müfredatı

Bu ders kuantum hesaplama ve kuantum programlama konularının temellerine giriş seviyesinde bir derstir.

Ana materyal Jupyter notebooklarından oluşmaktadır ve bu notebookların hazırlanmasında QWorld topluluğunun Bronze, Nickel ve Silver isimli çalıştaylarından esinlenilmiştir. Bu çalıştaylarda bahsi geçen algoritmaların yanı sıra başka algoritmalar ve mevcut kuantum bilgisayarların donanımları konusu da derste işlenecektir.

Önkoşullar

Bu dersten en yüksek verim elde edebilmek için iki adet önkoşuldan bahsetmek mümkündür. 

• Temel seviye programlama bilmek.

• Giriş seviyesinde kuantum mekaniği bilmek.

İlk önkoşul için Python dilini, değişkenler, temel veri tipleri, döngüler ve koşullar konseptleri ile kod yazabilecek kadar bilmek yeterlidir. Eğer Python dili ile hiç deneyiminiz yoksa materyalde sunulan Python notebooklarını takip edebilirsiniz.

İkinci önkoşul için iki girilebilir-durumlu kuantum mekanik sistemlerini, örneğin elektronun spini, Dirac notasyonunda manipüle edebilmek yeterli olacaktır. Bu noktada eksikleriniz olsa dahi derslerde Dirac notasyonu yeterince ayrıntılı şekilde anlatılacaktır.

Bu iki önkoşul haricinde matris cebrinde vektörler, matris çarpımı ve tensör çarpımının bilinmesi öğrencinin işini kolaylaştıracaktır.

İlk ders öncesi

Marmara Üniversitesi Fizik Bölümü'nün Github Organizasyonuna katılma talebi göndermelisiniz.

Anaconda programını bilgisayarınıza kurmalı, ardından Qiskit ve Cirq kütüphanelerini yüklemelisiniz. Talimatlara buradan ulaşabilirsiniz.

Bu hazırlıklar sonrası "start_here" isimli notebook açılıp bütün materyale ulaşılabilir.

Dönem boyunca

Bu derste bahsedilecek ana bölümler aşağıda sıralanmıştır. Bir öğrencinin her bir bölüm için ayırması gereken kendi-kendine-çalışma süresi 2-3 saattir.

• Klasik sistemlerin temelleri 

(Klasik bitler, Olasılıksal bitler, Yazı-Tura oyunu, Hileli para, Olasılıksal durumlar, Olasılıksal işlemciler, Korelasyon)

• Kuantum sistemlerinin temelleri 

(Devrelerle kuantum programları: yazaçlar, kapılar, ölçümler, yürütümler, çıktıların okunması, kuantum durumları, kuantum işlemciler)

• • Bloch küresi (Global ve lokal faz, Bloch küresinde kuantum durumları ve kuantum işlemcileri)

  • Dolanıklık ve kuantum protokollerinin temelleri

• Grover (kuantum arama) algoritması

• Klasik kapıların kuantum bilgisayarlarında simülasyonu

• Geleneksel kuantum algoritmaları 

  • • Deutsch algoritması, 

    • Deutsch-Jozsa algoritması, 

    • Bernstein-Vazirani algoritması, 

    • Simon algoritması

• Max-Cut problemi ve bu problemin çözümünde Grover algoritmasının kullanımı

• Kuantum Fourier Dönüşümü ve uygulamaları

• Shor  algoritması

Kaynaklar

• IBM Qiskit Textbook

• Google Cirq Tutorials

Başarı koşulları

Bu derste dönem içinde 1 adet vize sunumu ve dönem sonunda 1 adet final sunumu yapılacaktır. Öğrencinin dersi geçebilmesi için Marmara Üniversitesi Önlisans ve Lisans Eğitim-Öğretim ve Sınav Yönetmeliği'ne  göre Final sınavında 100 puan üzerinden en az 40 puan alması ve bunun yanı sıra geçme notunun da 100 puan üzerinden en az 40 puan olması gerekmektedir. Öğrencinin dönemde alacağı notlarla ilgili hesaplama formülleri şöyledir.

• • Final Notu = Dönem Sonu Sunum Notu

  • Vize Notu = Dönem İçi Sunum Notu

  • Geçme Notu = 0.4 * Vize Notu + 0.6 * Final Notu

Dönem boyunca her hafta 1 adet ödev verilecek olup her bir ödev 100 puan üzerinden değerlendirilecektir. Ödevler her haftanın ilk dersinde Canvas sistemi üzerinden öğrenciye gönderilecek ve öğrencinin bu ödevi ilgili haftanın ikinci dersine kadar tamamlaması beklenecektir. Bir ödevin tamamlanmış sayılabilmesi için ödevden 100 puan üzerinden en az 25 puan alınması gerekmektedir. Öğrenci ödevi izin verilen süre zarfında sınırsız defa yeniden yapabilir. Bu denemelerde elde edilen puanlardan en yüksek olanı öğrencinin ödev notu olarak değerlendirilecektir. Tanımlı süre zarfında en az 25 puan alınamayan ödevlerin notu 0 puan olarak dikkate alınacaktır.

Örnek Ödev Sorusu:

Yazı gelme olasılığının 0.8 olduğu bir hileli paranız olsun. Bu parayı 1000 defa attığınızda aşağıdaki 

sonuçlardan hangisini elde ihtimaliniz bulunmaktadır? (8 puan)

a. Yazı: 802, Tura: 198

b. Yazı: 502, Tura: 498

c. Yazı: 320, Tura: 980

d. Yazı: 203, Tura: 797

Ödevlerde test sorularının yanı sıra, boşluk doldurma soruları, çok-seçmeli sorular, doğru-yanlış soruları, kod parçası yazma soruları vb. sorular da bulunacaktır.