CODICE 98389 ANNO ACCADEMICO 2024/2025 CFU 6 cfu anno 2 FISICA 9012 (LM-17) - GENOVA 6 cfu anno 3 INFORMATICA 8759 (L-31) - GENOVA 6 cfu anno 1 FISICA 9012 (LM-17) - GENOVA SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE FIS/02 LINGUA Italiano SEDE GENOVA PERIODO 1° Semestre MATERIALE DIDATTICO AULAWEB PRESENTAZIONE L'insegnamento 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 Apprendere i concetti e i fenomeni principali alla base dei computer quantistici - quali il principio di sovrapposizione degli stati, il q-bit, l'entanglement e le porte quantistiche - e capire il funzionamento di alcuni algoritmi quantistici elementari. OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO L'obbiettivo dell'insegnamento e' di introdurre gli studenti all'informatica e il calcolo quantistico sia da un punto teorico che pratico/applicativo. Alla fine del corso gli studenti avranno acquisito familiarita' con gli algoritmi quantistici piu' conosciuti, i protocolli di crittografia quantistica, i protocolli di manipolazione e scambio dell'informazione quantistica. Inoltre, da un lato piu' applicativo, impareranno a scrivere codici nei linguaggi di programmazione per i computer quantistici piu' diffusi (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 piu’ 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 Fisica della computazione e modelli alternativi di computer Concetti di informatica di base: porte logiche, porte logiche universali e reversibili Computer con il biliardo e DNA Apparato matematico Spazi vettoriali e operazioni negli spazi vettoriali (somma, prodotto scalare etc.) Prodotto tensore Operatori hermittiani, diagonalizzazione e rappresentazione in termini matriciali Introduzione ai fenomeni quantistici Esperimento della doppia fenditura e della polarizzazione della luce Stati quantistici, sovrapposizione di stati e quantum bit (qubit) Sistemi quantistici composti e entaglement Teoria della misura Trasformazioni unitarie, porte logiche quantistiche a singolo e doppio qubit operatori di Pauli e rappresentazione di Bloch Informazione quantistica Parallelismo quantistico, teorema no-cloning, superdense coding, teletrasporto quantistico Algoritmi di base: Deutch, Deutch-Joza, Bernstein-Vazirani e Simon Crittografia quantistica Idee di base della crittografia classica a chiave pubblica e private Protocolli crittografici quantistici Bennett-Brassard (BB84) e Ekert91 Algoritmo per la ricerca in un database (Algoritmo di Grover) Idee di base degli algoritmi di ricerca in database e algoritmi black-box Algoritmo di Grover Introduzione ai codici di correzioni degli errori Idee di base del caso classico e differenze con quello quantistico Osservabili composti e autovalori Protocollo per l’identificazione e correzione di errori nei sistemi quantistici (bit-flip, errori “piccoli”, errore di fase) Protocollo di correzione di Shor a nove qubit Introduzione ai quantum games Introduzione alla teoria dei giochi classica e quantistica spin-flip in star trek Dilemma del prigioniero: caso classico e caso quantistico Mermin’s game Elitzur-Vaidman bomb tester (Opzionale) Trasformata di Fourier Quantistica e Algoritmo di Stima dalla Fase Apparato matematico e trasformata di Fourier classica Trasformata di Fourier Quantistica Algoritmo di Stima dalla Fase Algoritmo per il conteggio delle soluzioni (Opzionale) Algoritmi quantistici avanzati Algoritmo di Shor per la fattorizzazione dei numeri interi implicazioni per la crittografia a chiave pubblica (RSA) Algoritmo Harrow-Hassidim-Lloyd (HHL) Applicazioni dell’algoritmo HHL: algebra lineare, quantum machine learning etc. (Opzionale) Nonlocalita’ ed entanglement in meccanica quantistica Nonlocalita’ in meccanica quantistica Paradosso Einstein, Podolsky, and Rosen Diseguaglianze di Bell e esperimento di Aspet Stati nonlocali Greenberger–Horne–Zeilinger e esperimento di Zeilinger (Opzionale)Implementazione degli algoritmi, protocolli e esperimenti quantistici sui quantum computer dell’IBMQ 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 PAOLO SOLINAS Ricevimento: L'orario di ricevimento è libero, previo appuntamento telefonico o via email. Paolo Solinas Dipartimento di Fisica, via Dodecaneso 33, 16146 Genova piano 7, studio S709 telefono: 010 3536260 email: paolo.solinas@unige.it Commissione d'esame PAOLO SOLINAS (Presidente) PIERANTONIO ZANGHI' ALESSANDRO VERRI (Supplente) LEZIONI INIZIO LEZIONI In accordo con il calendario didattico approvato dal Consiglio dei Corsi di Studio in Informatica Orari delle lezioni L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy ESAMI MODALITA' D'ESAME L’esame consiste in una relazione scritta e una prova orale. Alla fine del corso agli studenti verrà assegnato un problema da risolvere scrivendo un piccolo codice per un computer quantistico. Gli studenti dovranno scrivere e consegnare una relazione su quanto hanno fatto prima della prova orale. Il voto finale terrà conto sia della relazione che della prova orale. 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 l'insegnamento. 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 l'insegnamento Calendario appelli Data appello Orario Luogo Tipologia Note 15/01/2025 09:00 GENOVA Orale 03/02/2025 09:00 GENOVA Orale 30/06/2025 09:00 GENOVA Esame su appuntamento 01/08/2025 09:00 GENOVA Esame su appuntamento 18/09/2025 09:00 GENOVA Esame su appuntamento