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).

- 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)

Fisica Generale I e II, Informatica

(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) 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. Quantum Fourier Transform. Quantum Phase Estimation. Circuito di Kitaev. Algoritmo di Shor. 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)

L'insegnamento 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.

Per la parte dell'insegnamento relativa ai fondamenti di meccanica quantistica si consiglia: "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 si consiglia: "Quantum Computation and Quantum Information" (2010) di Michael A. Nielsen, Isaac L. Chuang. Per la parte dell'insegnamento da svolgere in laboratorio si consiglia: "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 verranno forniti dai docenti nella sezione materiale del Portale della Didattica.

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

Exam: Optional oral exam; Computer-based written test in class using POLITO platform;

... L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti svolti a lezione. L'esame mira essenzialmente a valutare 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 durante 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 è pari a 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.

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.