Servizi per la didattica
PORTALE DELLA DIDATTICA

Introduzione all'informazione e calcolo quantistico

01UEHPC, 01UEHLM, 01UEHMK, 01UEHOA

A.A. 2021/22

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Del Cinema E Dei Mezzi Di Comunicazione - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Informatica (Computer Engineering) - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Energetica - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Informatica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
FIS/03 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2020/21
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).
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).
- 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)
- 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)
Fisica Generale I e Fisica Generale II, Informatica di base
General Physics I and General Physics II, Basic Computer Science
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. Quantum Fourier Transform. Informazione quantistica. Teoria dell'informazione quantistica. Rumore quantistico e operazioni quantistiche. Principali tecnologie per la realizzazione di qubit (per esempio, Quantum Dots, Ion traps, Superconducting qubits) Computer quantistici: concetti di base per la progettazione e realizzazione
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
Il Corso si articola in 40 ore di lezione e 20 di esercitazioni in laboratorio con accesso e utilizzo del computer quantistico.
The course consists of lectures (40 hours) and laboratory classes (20 hours)with access and usage of quantum computer .
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 dai docenti mediante Portale della Didattica.
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.
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); Elaborato progettuale individuale; Elaborato progettuale in gruppo;
L’esame consiste di un test a risposta multipla, di una prova orale facoltativa e di un progetto facoltativo. Il test riguarda 12 quesiti (sia letterali che numerici) relativi alle parti teoriche 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 vorto fino ad un massimo di 3 punti in più. E’ previsto lo sviluppo di un progetto facoltativo (individuale o di gruppo) a scelta dello studente preferibilmente basato sull’uso del calcolatore quantistico. Il progetto proposto dallo studente viene sviluppato indipendentemente e consegnato al superamento della prova scritta (caricato nella area dedicata del portale della didattica) e prima dell'orale. Il progetto discusso oralmente potrà contribuire al voto finale fino a 3 punti in più. 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.
Exam: Optional oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus); Individual project; Group project;
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.
Modalità di esame: Test informatizzato in laboratorio; 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); Elaborato progettuale individuale; Elaborato progettuale in gruppo;
L’esame consiste di un test a risposta multipla, di una prova orale e di un progetto facoltativo. Il test riguarda 12 quesiti (sia letterali che numerici) relativi alle parti teoriche 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 3 punti in più. E’ previsto lo sviluppo di un progetto facoltativo (individuale o di gruppo) a scelta dello studente preferibilmente basato sull’uso del calcolatore quantistico. Il progetto proposto dallo studente viene sviluppato indipendentemente e consegnato al superamento della prova scritta (caricato nella area dedicata del portale della didattica) e prima dell'orale. Il progetto discusso oralmente potrà contribuire al voto finale fino a 3 punti in più. 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.
Exam: Computer lab-based test; Optional oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus); Individual project; Group project;
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.


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