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PORTALE DELLA DIDATTICA
2019/20

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

L'insegnamento intende fornire un'introduzione alle principali idee e tecniche nel campo della computazione quantistica e della teoria dell’informazioni quantistica, i suoi recenti progressi e i problemi aperti. L'insegnamento inizia fornendo concetti di ottica, termodinamica di sistemi in nonequilibrio, di meccanica quantistica, per consentire agli studenti di affrontare concetti e metodi alla base delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione e dei paradigmi di calcolo quantistici. Le prime forme di calcolo quantistico e di teoria dell’informazione quantistica avevano uno scopo puramente speculativo motivato dalla esigenza di comprendere meglio i fenomeni quantistici osservabili in natura. Con lo sviluppo dei dispositivi quantistici (quantum devices), il calcolo quantistico e la teoria dell’informazione quantistica hanno trovato il loro naturale ambito di applicazione, stimolando lo sviluppo di ulteriori direzioni di applicazione. Piccoli computer quantistici, capaci di eseguire dozzine di operazioni su pochi bit quantistici (qubit) e prototipi per crittografia quantistica sono stati quindi realizzati. Le sfide tecnologiche sono molteplici e la corsa alla realizzazione di computer quantistici di utilizzo massivo in atto tra le grandi aziende informatiche è una delle priorità della moderna ingegneria informatica. Approcci convenzionali allo sviluppo di nuove tecnologie informatiche stanno iniziando a scontrarsi con la fondamentale difficoltà legate alla riduzione delle dimensioni dei dispositivi. Possibili soluzioni al problema sono basate su paradigmi di calcolo quantistico. I crittosistemi a chiave privata presentano gravi criticità in alcuni contesti. Il calcolo quantistico permette di distribuire chiavi in modo tale che la sicurezza non sia compromessa (crittografia quantistica o distribuzione quantistica delle chiavi).

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

The course aims to provide an introduction to the main ideas and techniques in the field of quantum computation and quantum information, its recent advances and open problems. The course begins by providing concepts of optics, thermodynamics of non-equilibrium systems, quantum mechanics, to allow students to deal with concepts and methods underlying information and communication technologies and quantum computing paradigms. The first forms of quantum computing and quantum information theory had a purely speculative purpose motivated by the need to better understand quantum phenomena observable in nature. With the development of quantum devices (quantum dots, Josephson junctions, quantum wires) quantum computing and quantum information theory have found their natural field of application, stimulating the development of further application directions. Small quantum computers, capable of performing dozens of operations on a few quantum bits (qubits) and prototypes for quantum cryptography, were therefore implemented. The technological challenges are manifold and the race to build massive quantum computers in use among large IT companies is one of the priorities of modern computer engineering. Conventional approaches to the development of new information technologies are beginning to clash with the fundamental difficulties linked to the reduction of device sizes. Possible solutions to the problem are envisaged via quantum computing paradigms. Private key cryptosystems present serious problems in some contexts: quantum computing allows keys to be distributed in such a way that security is not compromised (quantum cryptography or quantum distribution of keys).

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

- Conoscenza preliminare delle leggi e dei principi della meccanica quantistica e delle statistiche quantistiche. Capacità di risolvere problemi elementari di meccanica quantistica di interesse per l’ingegneria (computazione quantistica). - Conoscenza preliminare di teoria dell’informazione. Conoscenza preliminare delle leggi e dei principi della statistica di non equilibrio. Capacità di risolvere problemi elementari su processi stocastici e teoria dell’informazione quantistica di interesse ingegneristico. - Conoscenza e utilizzo di Python per la computazione quantistica. - Conoscenza e capacità di utilizzo degli ambienti di sviluppo dei computer quantistici commerciali attuali (in particolare IBM). - Conoscenza di algoritmi quantistici elementari (ad esempio Deutsch, Shor)

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

- Preliminary knowledge of the laws and principles of quantum mechanics and quantum statistics. Ability to solve elementary quantum mechanical problems of interest for engineering (quantum computation). - Preliminary knowledge of information theory. Preliminary knowledge of the laws and principles of non-equilibrium statistics. Ability to solve elementary problems on stochastic processes and information theory of engineering interest. - Knowledge and ability to use Python for quantum computing. Ability to use the development environments of current commercial quantum computers (in particular IBM). - Knowledge of elementary quantum algorithms (eg Deutsch, Shor)

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

Fisica I e Fisica II, Informatica

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Physics I and Physics II, Computer Science

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Introduzione alla meccanica quantistica. I postulati della meccanica quantistica. Entropia e informazione. Entropia di Shannon. Entropia di Von Neumann. Proprietà dell’entropia dal punto di vista della teoria dell’informazione. Introduzione storica e motivazioni ingegneristiche per lo studio del calcolo e dell’informazione quantistica. Bit quantici (Qubit). Qubit multipli. Porte logiche per singolo qubit. Porte logiche per qubit multipli. Circuiti quantistici. Esempi: stati di Bell. Teletrasporto quantistico. Algoritmi quantistici. Algoritmo di Deutsch. Algoritmo di Deutsch-Jozsa. Algoritmo di Grover. Algoritmo di Shor. QFT. Informazione quantistica. Teoria dell'informazione quantistica. Rumore quantistico e operazioni quantistiche. Principali tecnologie per la realizzazione di qu-bit (per esempio, Quantum Dots, Ion traps, Superconducting qubits) Computer quantistici: concetti di base per la progettazione e realizzazione

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Introduction to quantum mechanics. The postulates of quantum mechanics. Entropy and information. Shannon's Entropy. Entropy of Von Neumann. Properties of entropy from the point of view of information theory. Historical introduction and engineering motivations for the study of calculus and quantum information. Quantum bits (Qubit). Multiple Qubits. Logical ports for single qubit. Logical ports for multiple qubits. Quantum circuits. Examples: Bell states. Quantum teleportation. Quantum algorithms. Deutsch algorithm. Deutsch-Jozsa algorithm. Grover algorithm. Shor algorithm. QFT. Quantum information. Quantum information theory. Quantum noise and quantum operations. Main technologies for the realization of qu-bits (for example, Quantum Dots, Ion traps, Superconducting qubits). Quantum Computers: Basic Design and Implementation Concepts

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

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Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

Il Corso si articola in 40 ore di lezione e 20 di esercitazioni in laboratorio con accesso e utilizzo del computer quantistico.

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

The course consists of lectures (40 hours) and laboratory classes with access and usage of quantum computer (20 hours).

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R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. La Fisica di Feynman. Volume 3. Edizione Millennium, Zanichelli. Quantum Computation and Quantum Information (2010) di Michael A. Nielsen , Isaac L. Chuang . Materiale specifico verrà fornito dal docente mediante Portale della Didattica.

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. La Fisica di Feynman. Volume 3. Edizione Millennium, Zanichelli. Quantum Computation and Quantum Information (2010) di Michael A. Nielsen , Isaac L. Chuang . Supplementary material will be made available online through the Teaching Portal.

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Modalità di esame: prova scritta; progetto individuale; progetto di gruppo;

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

L’esame consiste di una parte scritta e di un progetto opzionale (individuale o di gruppo). La parte scritta riguarda 4 quesiti e 4 problemi (sia letterali che numerici) relativi alle parti teoriche del corso. E’ previsto lo sviluppo di un progetto a scelta dello studente eventualmente basato sull’uso del calcolatore quantistico. Il tempo totale previsto per la prova scritta è 2 ore. La prova scritta è considerata superata se si è ottenuto un voto totale di almeno 18/30. Il voto finale della prova scritta non può superare i 24/30. Il progetto, che è opzionale, potrà contribuire al voto finale fino a 6 punti in più. Il progetto proposto dallo studente viene sviluppato indipendentemente e consegnato al superamento della prova scritta. Il voto finale è la somma dei voti della prova scritta e del progetto opzionale. La lode verrà conferita a discrezione della commissione esaminatrice in presenza di risultati particolarmente brillanti.

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Exam: written test; individual project; group project;

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The exam consists of a written part and an optional project (to be developed either by the student alone or by a student team). The written part concerns 4 questions and 4 problems (both literal and numerical) related to the theoretical parts of the course. The optional development of a project chosen by the student, possibly based on the use of the quantum computer, constitutes the second part of the exam. The total time required for the written part is 2 hours. The written part is considered passed if a grade of at least 18/30 has been obtained. The final grade of the written test cannot exceed 24/30. The project, which is optional, can contribute up to 6 points to the final grade. The project proposed by the student is developed independently and delivered upon passing the written part. The final grade is the sum of the votes of the written test and the optional project. The “lode” praise will be awarded at the discretion of the examining commission in the presence of particularly brilliant performance.



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