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Introduzione all'informazione e calcolo quantistico
01UEHXJ, 01UEHJM, 01UEHLI, 01UEHLM, 01UEHLN, 01UEHLP, 01UEHLS, 01UEHLZ, 01UEHMA, 01UEHMC, 01UEHMK, 01UEHMN, 01UEHMQ, 01UEHNX, 01UEHOA, 01UEHOD, 01UEHPC, 01UEHPI, 01UEHPL, 01UEHTR, 01UEHWN, 01UEHWW, 01UEHWZ, 01UEHXB, 01UEHXF, 01UEHXH, 01UEHXP, 01UEHXQ, 01UEHXV, 01UEHXX, 01UEHXZ, 01UEHYA, 01UEHYB, 01UEHYE, 01UEHYF, 01UEHYI, 01UEHYK, 01UEHYO
A.A. 2027/28
Lingua dell'insegnamento
Italiano
Corsi di studio
Corso di Laurea in Ingegneria Del Cinema E Dei Media Digitali - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica (Mechanical Engineering) - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Dell'Autoveicolo (Automotive Engineering) - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Informatica (Computer Engineering) - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Dell'Autoveicolo - 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 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
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Corso di Laurea in Ingegneria Del Cinema E Dei Mezzi Di Comunicazione - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale - Torino
Corso di Laurea in Civil And Environmental Engineering - Torino
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Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale - Torino
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Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica (Mechanical Engineering) - Torino
Corso di Laurea in Matematica Per L'Ingegneria - Torino
Organizzazione dell'insegnamento
| Didattica | Ore |
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Docenti
| Docente | Qualifica | Settore | h.Lez | h.Es | h.Lab | h.Tut | Anni incarico |
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Collaboratori
Didattica
| SSD | CFU | Attivita' formative | Ambiti disciplinari | FIS/03 | 6 | D - A scelta dello studente | A scelta dello studente |
|---|
2024/25
L'insegnamento intende fornire le principali idee e tecniche nel campo della computazione quantistica e della teoria dell'informazione quantistica, evidenziando i recenti progressi e i problemi aperti. La prima parte dell'insegnamento fornisce 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 semplici circuiti quantistici, capaci di eseguire operazioni su pochi bit quantistici (qubit) e prototipi per crittografia quantistica.
Le molteplici sfide e la corsa alla realizzazione di computer quantistici di utilizzo massivo in atto tra le grandi aziende informatiche rappresentano delle priorita nella moderna ingegneria informatica. Approcci convenzionali allo sviluppo di nuove tecnologie informatiche stanno iniziando a scontrarsi con la fondamentale difficolta 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 criticita 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 at providing an introduction to the main ideas and techniques in the field of quantum computation and quantum information, highlighting 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 the natural world. With the development of nanodevices (dots, Josephson junctions, wires) quantum computing and quantum information theory have found their natural field of application, stimulating the development of further application directions. Simple 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. The global race to build massive quantum computers 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 have been 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 dei principi della meccanica quantistica.
- Capacita di risolvere problemi elementari di meccanica quantistica di interesse ingegneristico (computazione quantistica).
- Capacita di utilizzo di Python per la computazione quantistica.
- Capacita di utilizzo degli ambienti di sviluppo dei computer quantistici commerciali attuali (in particolare IBM).
- Conoscenza di algoritmi quantistici fondamentali (ad esempio Deutsch, Grover, 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 II, Informatica. Analisi Matematica (I e II). Algebra Lineare.
General Physics I and General Physics II, Basic Computer Science
(15 ore = 1.5 CFU) Introduzione alla meccanica quantistica. I postulati della meccanica quantistica. Introduzione storica e motivazioni ingegneristiche per lo studio del calcolo e dell'informazione quantistica.
(15 ore =1.5 CFU) Qubit. Qubit multipli. Porte logiche per singolo qubit. Porte logiche per qubit multipli.
Circuiti quantistici. Esempi: stati di Bell. Teletrasporto quantistico.
(30 ore = 3.0 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.
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
L'insegnamento si articola in 40 ore di lezione e 20 di esercitazioni in laboratorio.
Durante il laboratorio verra implementato l'accesso e utilizzo del computer quantistico (IBM Composer).
L'attività di laboratorio permetterà agli studenti di progettare e realizzare le porte e i circuiti visti durante le lezioni di teoria, verificando autonomamente il proprio livello di preparazione.
The course consists of lectures (40 hours) and laboratory classes (20 hours)with access and usage of quantum computer .
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)
Ulteriore materiale di supporto (lucidi, eserciziari) e pubblicazioni scientifiche verranno forniti dai docenti nella sezione materiale del 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.
Slides; Libro di testo; Esercizi; Esercizi risolti; Video lezioni tratte da anni precedenti; Strumenti di simulazione; Strumenti di auto-valutazione;
Lecture slides; Text book; Exercises; Exercise with solutions ; Video lectures (previous years); Simulation tools; Self-assessment tools;
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;
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L'esame e volto ad accertare la conoscenza degli argomenti svolti a lezione.
L'esame mira essenzialmente a valutare la capacità di applicare la teoria e i metodi del calcolo quantistico.
In particolare, durante l'esame si valuteranno i seguenti aspetti:
Comprensione degli argomenti trattati e abilità di calcolo e utilizzo dei circuiti e algoritmi quantistici.
Capacità di riconoscere ed utilizzare le adeguate tecnologie qubit nel contesto del calcolo quantistico.
Capacità di progettare 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 e consentito l'uso di materiale didattico (libri, appunti, ...) durante il test o durante la prova orale.
- Il test e costituito da 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. Ogni risposta esatta è valutata 2 punti, ogni risposta errata o non data è valutata 0 punti. Il test è considerato superato se si è conseguita una votazione 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 verra 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.
Exam: Optional oral exam; Computer-based written test in class using POLITO platform;
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.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.