Servizi per la didattica
PORTALE DELLA DIDATTICA

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

01UEHPC, 01UEHJM, 01UEHLM, 01UEHLP, 01UEHLS, 01UEHLZ, 01UEHMA, 01UEHMB, 01UEHMC, 01UEHMK, 01UEHMN, 01UEHMQ, 01UEHNX, 01UEHOA, 01UEHOD, 01UEHPI, 01UEHPL

A.A. 2023/24

2021/22

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’informazione quantistica, i recenti progressi e i problemi aperti. L'insegnamento inizia fornendo gli elementi 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. Sono stati quindi dimostrati sperimentalmente piccoli circuiti quantistici, capaci di eseguire dozzine di operazioni su pochi bit quantistici (qubit) e prototipi per crittografia quantistica. Le sfide sono molteplici e la corsa alla realizzazione di computer quantistici di utilizzo massivo in atto tra le grandi aziende informatiche rappresentano delle priorità nella 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 a brief introduction of 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 observed 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 circuits, capable of performing dozens of operations on a few quantum bits (qubits) and prototypes for quantum cryptography, have been therefore demonstrated. 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

- Conoscenze preliminari delle leggi e dei principi della meccanica quantistica. - Capacità di risolvere problemi elementari di meccanica quantistica di interesse ingegneristico (computazione quantistica). - 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, Grover, 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 Generale I e II, Informatica

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

General Physics I and General Physics II, Basic Computer Science

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

(10 ore = 1CFU) Introduzione alla meccanica quantistica. I postulati della meccanica quantistica. Introduzione storica e motivazioni ingegneristiche per lo studio del calcolo e dell’informazione quantistica. (10 ore =1 CFU) Bit quantici (Qubit). Qubit multipli. Porte logiche per singolo qubit. Porte logiche per qubit multipli. Circuiti quantistici. Esempi: stati di Bell. Teletrasporto quantistico. (30 ore = 1 CFU) Algoritmi quantistici. Algoritmo di Deutsch. Algoritmo di Deutsch-Jozsa. Algoritmo di Grover. Algoritmo di Shor. Quantum Fourier Transform. Quantum Phase Estimation. Circuito di Kitaev. Cenni sul rumore quantistico e operazioni quantistiche. (10 ore = 1CFU) Criteri generali per la progettazione e realizzazione fisica dei computer quantistici (Criteri di Di Vincenzo) . Principali tecnologie per la realizzazione di qubit (es: Quantum Dots, Ion traps, Superconducting qubits, Fotoni)

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

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. Quantum Fourier Transform. Quantum information. Quantum information theory. Quantum noise and quantum operations. Main technologies for the realization of qubits (for example, Quantum Dots, Ion traps, Superconducting qubits). Quantum Computers: Basic Design and Implementation Concepts

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

Il Corso si articola in 40 ore di lezione e 20 di esercitazioni in laboratorio. Durante il laboratorio verrà implementato l'accesso e utilizzo del computer quantistico (IBM Composer). L’attività di laboratorio permette di progettare e realizzare le porte e i circuiti visti in teoria, permettendo allo studente di verificare autonomamente il livello di preparazione.

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

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

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

Per la parte dell'insegnamento relativa ai fondamenti di meccanica quantistica: "La Fisica di Feynman". Volume 3. R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. Edizione Millennium, Zanichelli. Per la parte dell'insegnamento relativa agli algoritmi quantistici: "Quantum Computation and Quantum Information" (2010) di Michael A. Nielsen, Isaac L. Chuang. Per la parte dell'insegnamento da svolgere in laboratorio: "Mastering Quantum Computing with IBM QX: Explore the world of quantum computing using the Quantum Composer and Qiskit" Moran, Dr. Christine Corbett Editore: Packt Publishing, (2019) Inoltre materiale di supporto (slides, videolezioni, eserciziari) e pubblicazioni scientifiche relative verranno forniti dai docenti 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.

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

Modalità di esame: Test informatizzato in laboratorio; Prova orale facoltativa;

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale dell'insegnamento e la capacità di applicare la teoria e metodi di calcolo quantistico. In particolare, durante l'esame : Comprensione degli argomenti trattati e abilità di calcolo nell’utilizzo dei circuiti e algoritmi quantistici. Capacità di riconoscere ed utilizzare le adeguate tecnologie qubit nel contesto del calcolo quantistico. Capacità di costruire un algoritmo/circuito, utilizzando i componenti quantistici fondamentali (porte quantistiche). L’esame consiste di un test a risposta multipla e di una prova orale. Non è consentito l'uso di materiale didattico (libri, appunti, ...) durante il test o la prova orale. Il test riguarda 12 quesiti a risposta multipla (sia letterali che numerici) relativi alle parti teoriche e alle applicazioni del corso. Il tempo totale previsto per il test è 30 minuti. Il test è considerato superato se lo studente ha ottenuto un voto di almeno 18/30. Il voto massimo del test informatizzato non può superare i 24/30. La prova orale facoltativa verrà svolta in presenza rispettando le disposizioni dell'Ateneo in merito a sicurezza e distanziamento. L'orale è volto ad accertare le conoscenze teoriche e di laboratorio e potrà contribuire al voto fino ad un massimo di + o - 6 punti. Il voto finale contempera le valutazioni ottenute durante la prova di test e l'eventuale prova orale. La lode verrà conferita a discrezione della commissione esaminatrice in presenza di risultati particolarmente brillanti.

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

Exam: Computer lab-based test; Optional oral exam;

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

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.

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

Modalità di esame: Prova orale facoltativa; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

L’esame consiste di un test a risposta multipla e di una prova orale (facoltativa). Non è consentito l'uso di materiale didattico (libri, appunti, ...) durante il test o la prova orale. Il test a risposta multipla contiene 12 quesiti (sia letterali che numerici) relativi sia alle parti teoriche che applicative del corso. Il tempo totale previsto per il test è 30 minuti. Il test è considerato superato se lo studente ha ottenuto un voto di almeno 18/30. Il voto massimo del test informatizzato non può superare i 24/30. L'orale facoltativo verrà svolto in modalità virtuale utilizzando la piattaforma per la didattica online di ateneo. L'orale è volto ad accertare le conoscenze teoriche e di laboratorio e potrà contribuire al voto fino ad un massimo di + o - 6 punti. Il voto finale contempera le valutazioni ottenute durante la prova di test e l'eventuale prova orale. La lode verrà conferita a discrezione della commissione esaminatrice in presenza di risultati particolarmente brillanti.

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

Exam: Optional oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

The exam consists of a written part (multiple choice test), an oral part and an optional project (to be developed either by the student alone or by a student team). The multiple choice test concerns with 12 questions (both literal and numerical) related to the theoretical parts of the course. The multiple choice test lasts 30 minutes. The multiple choice test is considered passed if a grade of at least 18/30 has been obtained. The final grade of the multiple choice test is 24/30 maximum. The oral part will be held in virtual mode by using the digital platform of the Politecnico di Torino. The oral exam is aimed at checking the theoretical knowledge and practical skills of the student. The oral will contribute 3 more grades to the final score. The optional development of a project chosen by the student (individually or in a team), possibly based on the use of the quantum computer, constitutes the third part of the exam. The project, which is optional, can contribute up to 3 points to the final score. The project proposed by the student is developed independently and delivered upon passing the multiple choice test and before the oral. The final grade is the sum of the votes of the multiple choice test, the oral part and the optional project. The “lode” praise will be awarded at the discretion of the examining commission in the presence of particularly brilliant performance.

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

Modalità di esame: Prova orale facoltativa; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

L’esame consiste di un test a risposta multipla e di una prova orale facoltativa. Non è consentito l'uso di materiale didattico (libri, appunti, ...) durante il test o la prova orale. Il test a risposta multipla contiene 12 quesiti (sia letterali che numerici) relativi alle parti teoriche e applicative del corso. Il tempo totale previsto per il test è 30 minuti. Il test è considerato superato se lo studente ha ottenuto un voto di almeno 18/30. Il voto massimo del test informatizzato non può superare i 24/30. L'orale facoltativo verrà svolto in presenza rispettando le disposizioni dell'Ateneo in merito a sicurezza e distanziamento. L'orale è volto ad accertare le conoscenze teoriche e di laboratorio e potrà contribuire al voto fino ad un massimo di + o - 6 punti. Il voto finale contempera le valutazioni ottenute durante la prova di test e l'eventuale prova orale. La lode verrà conferita a discrezione della commissione esaminatrice in presenza di risultati particolarmente brillanti.

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

Exam: Optional oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

The exam consists of a multiple choice test , an oral part and an optional project (to be developed either by the student alone or by a student team). The multiple choice test concerns with 12 questions (both literal and numerical) related to the theoretical parts of the course. The multiple choice test lasts 30 minutes. The multiple choice test is considered passed if a grade of at least 18/30 has been obtained. The final grade of the multiple choice test is 24/30 maximum. The oral part will be held in presence by respecting the rules set by the Politecnico di Torino for security and social distancing. The oral exam is aimed at checking the theoretical knowledge and practical skills of the student. The oral will contribute 3 more grades to the final score. The optional development of a project (individually or in a team) chosen by the student, possibly based on the use of the quantum computer, constitutes the third part of the exam. The project, which is optional, can contribute up to 3 points to the final score. The project proposed by the student is developed independently and delivered upon passing the multiple choice test and before the oral. The final grade is the sum of the votes of the multiple choice test, the oral part and the optional project. The “lode” praise will be awarded at the discretion of the examining commission in the presence of particularly brilliant performance.

Esporta Word


© Politecnico di Torino
Corso Duca degli Abruzzi, 24 - 10129 Torino, ITALY
Contatti