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ANDREA BERTONI
DIPENDENTE ALTRO ENTE DI RICERCA Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche sede ex-Fisica
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Insegnamento: Introduction to quantum information processing
Matematica (D.M. 270/04) (Offerta formativa 2022)
Obiettivi formativi
Al termine del corso lo studente sara' a conoscenza dei concetti alla base dell'elaborazione quantistica dell'informazione, sapra' decifrare, creare e utilizzare semplici algoritmi quantistici, conoscera' una piattaforma tecnologica per il calcolo quantistico e la sua realizzazione hardware. Saprà usare una piattaforma software per il progetto e il test di network di gate quantistici, lanciando il calcolo sia su simulatori di computer quantistici, sia su di un quantum computer reale.
Prerequisiti
Linear algebra.
Programma del corso
Modulo 1: "Fisica quantistica e informazione" (il corso si tiene in lingua inglese)
- Necessità di una descrizione quantistica dei sistemi fisici. Il principio di indeterminazione. Stati quantistici e notazione Ket/Bra, la loro evoluzione unitaria e il processo quantistico di misura. Coerenza quantistica ed entanglement. Dai bit ai qubit. Quantum parallelism. (1 CFU)
- Regola di Born. No-cloning theorem. Preparazione di uno stato quantistico. Gate a uno e due qubit. Il gate di Toffoli. Il problema di Deutsch. (1 CFU)
- Soluzione quantistica del problema di Bernstein-Vazirani. Il problema di Simon. Stati puri a due qubit e la loro matrice densità. L'entropia di von Neumann come mezzo per quantificare l'entanglement. (1 CFU)
Modulo 2: "Gate e algoritmi quantistici" (il corso si tiene in lingua inglese)
- Approccio quantistico alla ricerca del periodo di una funzione e trasformata quantistica di Fourier. (1 CFU)
- Ricercare con un quantum computer. L'algoritmo di Grover. Correzione quantistica degli errori. (1 CFU)
- Protocollo di teletrasporto quantistico e stati di Bell. Quantum communication: elementi di crittografia quantistica e protocolli di quantum key distribution. (1 CFU)
Metodi didattici
Le lezioni saranno tenute in presenza con lezioni frontali ed esercitazioni basate sulla piattaforma di quantum computing IBM. Verranno forniti materiali e dispense, e pubblicati eventuali avvisi, attraverso la pagina MOODLE del corso.
(Attenzione: occorre fare riferimento alla pagina MOODLE del corso relativa al CdL Informatica dipartimento FIM).
Agli studenti sarà anche chiesto di discutere i metodi e gli strumenti per la comunicazione scientifica relativi agli argomenti del corso a partire dalle proprie abilità, creando uno spazio per confrontare le competenze acquisite e il metodo della loro esposizione.
Testi di riferimento
MAIN:
N. David Mermin, Quantum Computer Science. An Introduction.
Cambridge University Press
AUXILIARY:
Giuliano Benenti, Principles of Quantum Computation and Information Volume 1.
New Jersey: World Scientific.
Scott Aaronson, Quantum Computing since Democritus.
Cambridge University Press
Verifica dell'apprendimento
Esame orale in presenza con il supporto di lavagna o altri strumenti di scrittura libera. Verifica della familiarità con il tool online IBM Quantum Composer.
Il singolo esame/sessione inlcuderà entrambi i moduli del corso.
Esame in videoconferenza (es. Google Meet) quando previsto dal regolamento di Ateneo.
Risultati attesi
Conoscenza e comprensione: Comprensione delle basi della meccanica quantistica e di come la sua peculiarità viene sfruttata nell'elaborazione quantistica dell'informazione.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Capacità di riprodurre gli algoritmi quantistici presentati e di sviluppare semplici network di porte logiche quantistiche.
Autonomia di giudizio: Capacità di valutare lo speedup indotto da un approccio quantistico e di stimare l'applicabilità dei metodi proposti in contesti produttivi.
Abilità comunicative: Capacità di descrivere i concetti di base della meccanica quantistica e il concetto di entanglement quantistico a professionisti dell'informatica senza competenze specifiche. Capacità di capire lezioni e testi in lingua inglese.
Capacità di apprendimento: Abilità di apprendere nuovi algoritmi quantistici e di comprenderne l'utilità in diversi contesti.