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).

- 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 Generale I e Fisica Generale II, Informatica di base

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

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 dai docenti mediante Portale della Didattica.

Modalità di esame: Prova orale facoltativa; Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo; 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.

Modalità di esame: Test informatizzato in laboratorio; Prova orale facoltativa; Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo; 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.