PRESENTAZIONE

Il corso è pensato per essere un’introduzione all’informatica e alla computazione quantistica. Gli aspetti teorici sono affiancati da applicazioni pratiche allo scopo di permettere un immediato contatto con i recenti sviluppi del campo.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

This course aims to introduce the key concepts and methods of Quantum Information and Computation. The first part will provide the operational elements of quantum mechanics and quantum information: superposition principle, quantum entanglement, the quantum bit (qubit) and quantum logical gates. The second part will introduce the basic quantum algorithms and applications to informatics such as quantum database search algorithm, quantum teleportation and superdense coding. The final part will deal with some possible applications to robotics. It will be shown as the above ideas and concepts can be introduced in software architecture for robots that exploit quantum-inspired perception, reasoning and action techniques.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Lo scopo del corso è di rendere lo studente familiare con le nuove idee del campo delle tecnologie quantistiche, informatica quantistica e computazione quantistica.

Gli studenti apprenderanno le nozioni di base della meccanica quantistica.
Partendo da questo, si presenteranno le più importanti innovazioni applicazioni all’informatica (ad esempio, il teletrasporto quantistico e la crittografia quantistica) e alla computazione (ad esempio, l’algoritmo di ricerca in un database).
Verranno poi discusse alcune delle recenti applicazioni alla robotica.
In fine, gli studenti impareranno a conoscere i linguaggi di programmazione per i computer quantistici più usati (IBM-Qiskit, Google-Cirq, Amazon-Braket).

PREREQUISITI

A parte la conoscenza della matematica di base (calcolo, algebra di base, trigonometria) non ci sono prerequisiti specifici. Le nozioni matematiche avanzate e necessarie (spazi vettoriali, prodotto tensore etc.) verranno introdotte durante il corso. Le parti più avanzate del corso verranno trattate per gli studenti con adeguate conoscenze di fisica e matematica.

MODALITA' DIDATTICHE

Lezioni frontali sia teoriche che pratiche per la scrittura di codici per computer quantistici.

PROGRAMMA/CONTENUTO

1. Apparato matematico
   1. Spazi vettoriali e operazioni negli spazi vettoriali     (somma, prodotto scalare etc.)
   2. Prodotto tensore
   3. Operatori hermittiani, diagonalizzazione e rappresentazione in termini matriciali
2. Introduzione ai fenomeni quantistici
   1. Esperimento della doppia fenditura e della polarizzazione della luce
   2. Stati quantistici, sovrapposizione di stati e quantum bit (qubit)
   3. Sistemi quantistici composti ed entaglement
   4. Teoria della misura
   5. Trasformazioni unitarie, porte logiche quantistiche a singolo e doppio qubit
   6. operatori di Pauli e rappresentazione di Bloch
3. Informazione quantistica
   1. Parallelismo quantistico, teorema no-cloning, superdense coding, teletrasporto quantistico
   2. Algoritmi di base: Deutch, Deutch-Joza, Bernstein-Vazirani e Simon
4. Crittografia quantistica
   1. Idee di base della crittografia classica a chiave pubblica e private
   2. Protocolli crittografici quantistici Bennett-Brassard (BB84) e Ekert91
5. Algoritmo per la ricerca in un database (Algoritmo di Grover)
   1. Idee di base degli algoritmi di ricerca in database e algoritmi black-box
   2. Algoritmo di Grover
6. Introduzione ai codici di correzioni degli errori
   1. Idee di base del caso classico e differenze con quello quantistico
   2. Osservabili composti e autovalori
   3. Protocollo per l’identificazione e correzione di errori nei sistemi quantistici (bit-flip, errori “piccoli”, errore di fase)
   4. Protocollo di correzione di Shor a nove qubit
7. Introduzione ai linguaggi di programmazione
   1. IBMQ - Qiskit
   2. Pennylane
   3. Google Cirq and Amazon Braket
8. Possibili applicazioni alla Robotica
   1. Sensori quantistici in robots
   2. Informatica quantistica e applicazioni

TESTI/BIBLIOGRAFIA

P. Solinas – Dispense “Introduzione all’Informatica quantistica”

M. A. Nielsen e I. L. Chuang "Quantum Computation and Quantum Information", Cambridge University Press (2011)
 
N. S. Yanofsky e M. A. Mannucci  "Quantum Computing for Computer Scientists", Cambridge University Press (2008)

E. G. Rieffel and W. H. Polak "Quantum Computing: A Gentle Introduction (Scientific and Engineering Computation)"
The MIT Press (2011)

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

PAOLO SOLINAS (Presidente)

ALESSANDRO VERRI

PIERANTONIO ZANGHI' (Presidente Supplente)

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Le lezioni inizieranno secondo il calendario academico.

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L’esame finale consisterà in una discussione degli argomenti presentati durante le lezioni.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

Alla fine del corso, lo studente deve essere in grado di maneggiare e comprendere le idee base della meccanica quantistica e dell’informatica quantistica.
A tale scopo si valuterà la possibilità di assegnare degli home assignment durante il corso.

I seguenti argomenti saranno parte della procedura valutativa

• Conoscenza dei concetti di base dell’informatica quantistica; ad esempio, teoria della misura, entanglement e così via.
• Conoscenza degli algoritmi e protocolli quantistici presentati durante il corso.

Calendario appelli