PORTALE DELLA DIDATTICA

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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. 2019/20

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 Meccanica (Mechanical Engineering) - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Informatica (Computer Engineering) - Torino
Corso di Laurea in Electronic And Communications Engineering (Ingegneria Elettronica E Delle Comunicazioni) - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Dei Materiali - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Chimica E Alimentare - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Civile - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Energetica - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica - Torino
Corso di Laurea in Matematica Per L'Ingegneria - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Informatica - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Fisica - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 39
Esercitazioni in laboratorio 21
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Carbone Anna Filomena Professore Ordinario PHYS-04/A 36 0 3 0 6
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
FIS/03 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2019/20
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)
Fisica I e Fisica II, Informatica
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
Il Corso si articola in 40 ore di lezione e 20 di esercitazioni in laboratorio con accesso e utilizzo del computer 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 . Materiale specifico verrà fornito dal docente mediante Portale della Didattica.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Progetto individuale; Progetto di gruppo;
Exam: Written test; Individual project; Group project;
... 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.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
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