402-0462-00L  Advanced Topics in Quantum Information Theory

Lehrveranstaltungen

Katalogdaten

Kurzbeschreibung	Solid introduction on advanced topics in quantum information theory, including: quantum thermodynamics, quantum clocks and control, measurement theory, quantum learning theory and quantum foundations. Pre-requisites: Quantum Information Theory or equivalent courses.
Lernziel	To prepare master students for a PhD or industry career by providing a selection of active research topics in quantum information theory and related areas.
Inhalt	1. Quantum thermodynamics a) Virtual qubits, virtual temperatures b) Qubit swaps c) Passivity and complete passivity d) Equilibration, Jaynes principle, thermal states and baths e) Resource theories: noisy operations, majorization and entropy f) Resource theories: thermal operations, thermal majorization and free energy g) Maxwell’s demon and Szilard’s engine, Landauer erasure h) Thermodynamics protocols for finite-size systems i) Autonomous thermal machines: master equation, continuous dynamics, steady states j) Autonomous thermal machines: types of engines, working regimes 2. Clocks and control a) Ideal quantum clocks b) Quasi-ideal clocks c) Information-theoretical analysis 3. Puzzles and no-go theorems a) Hardy’s experiment (setup, simplified version, logical analysis) b) Quantum pigeonhole experiment (setup, simplified version, logical analysis) c) Physical implementation of measurements (von Neumann measurement scheme, strong and weak measurements, weak values) d) Replacing counterfactuals with weak measurements (Hardy and pigeonhole experiments) e) Replacing counterfactuals with measurements by different agents (Frauchiger-Renner experiment) f) Pre- and post-selection paradoxes: definition and example g) Contextuality: operational definition and relation to paradoxes 4. Quantum learning theory (guest lecturer Marco Tomamichel) Quantum learning theory provides the theoretical foundations for machine learning involving quantum objects, where the quantum aspect can either come from the learner itself (e.g. quantum algorithms for machine learning) or the object to be studied (e.g. state tomography), or both. Quantum information theory tools can establish fundamental limits for such learning tasks. We will in particular explore applications of information theory to the following learning tasks: a) Sample-optimal learning of quantum states b) Quantum PAC learning c) Multi-armed quantum bandits
Skript	Provided for the majority of contents; hand-written lecturer notes for the rest.
Literatur	Selected papers will be recommended to read throughout the semester. For example, for the quantum learning part: [1] Haah et al., Sample-optimal tomography of quantum states, arXiv:1508.01797. [2] Arunachalam and de Wolf, Optimal Quantum Sample Complexity of Learning Algorithms, arXiv:1607.00932. [3] Lumbreras et al., Multi-armed quantum bandits: Exploration versus exploitation when learning properties of quantum states, arXiv:2108.13050.
Voraussetzungen / Besonderes	Quantum Information Theory or equivalent course is necessary. Students should be familiar with density matrices, quantum channels (TPCPMs), Hamiltonian evolution and partial trace. Familiarity with quantum entropy measures helps but is not strictly necessary.
Kompetenzen	Fachspezifische Kompetenzen Konzepte und Theorien geprüft Verfahren und Technologien geprüft Methodenspezifische Kompetenzen Analytische Kompetenzen geprüft Entscheidungsfindung gefördert Medien und digitale Technologien gefördert Problemlösung geprüft Projektmanagement gefördert Soziale Kompetenzen Kommunikation geprüft Kooperation und Teamarbeit gefördert Kundenorientierung gefördert Menschenführung und Verantwortung gefördert Selbstdarstellung und soziale Einflussnahme gefördert Sensibilität für Vielfalt gefördert Verhandlung gefördert Persönliche Kompetenzen Anpassung und Flexibilität gefördert Kreatives Denken geprüft Kritisches Denken geprüft Integrität und Arbeitsethik gefördert Selbstbewusstsein und Selbstreflexion gefördert Selbststeuerung und Selbstmanagement gefördert

Leistungskontrolle

Information zur Leistungskontrolle (gültig bis die Lerneinheit neu gelesen wird)
Leistungskontrolle als Semesterkurs
ECTS Kreditpunkte	8 KP
Prüfende	L. Pacheco Cañamero B. del Rio, R. Silva
Form	Sessionsprüfung
Prüfungssprache	Englisch
Repetition	Die Leistungskontrolle wird in jeder Session angeboten. Die Repetition ist ohne erneute Belegung der Lerneinheit möglich.
Prüfungsmodus	schriftlich 120 Minuten
Hilfsmittel schriftlich	Keine
Diese Angaben können noch zu Semesterbeginn aktualisiert werden; verbindlich sind die Angaben auf dem Prüfungsplan.

Lernmaterialien

Gruppen

Einschränkungen

Angeboten in

Studiengang	Bereich	Typ
Physik Master	Auswahl: Theoretische Physik	W
Quantum Engineering Master	Wahlfächer	W