99476 - INTRODUZIONE ALLA SCIENZA E TECNOLOGIA QUANTISTICA

Learning outcomes

Students will be introduced to the fundamental laws and the innovative technologies that are at the heart of the new quantum revolution, which is expected to have also a profound impact on culture and society. At the end of the course, students will know the basics of: • theory and main applications of quantum information, communication and computation; • physical realizations of quantum resources and protocols. At the end of the course students will be able to: • analyze simple protocols of quantum information processing; • describe and compare available experimental platforms.

Course contents

Il corso coprirà gli aspetti fondamentali della moderna teoria dell'informazione e computazione quantistica, affrontando le tematiche sia dal punto di vista teorico (prof.ssa Ercolessi) che sperimentale (prof. Minardi), con un approfondimento degli aspetti concettuali e fondazionali (prof.ssa Levrini) e uno sguardo alle applicazioni tecnologiche.

Descrivere un oggetto quantistico

• Una nuova logica per una nuova unità di informazione.

  Il qubit: stati, evoluzione e misura; stati puri e misti

• Sistemi composti: separabilità e entanglement
• Il paradosso EPR, il teorema di Bell e gli esperimenti di Aspect
  

Elementi di teoria della computazione quantistica

• Simulare, emulare o computare?
• Gates quantistici elementari e circuiti; parallelismo quantistico e algoritmo di Grover; cenni su altri algoritmi
• Copiare uno stato: distinguibilità e "fidelity"; teorema di no Cloning e l'implementazione della computazione classica; il protocollo di teletrasporto
  

Elementi di teoria dell'informazione e comunicazione quantistica

• Evoluzione e misure di un sistema aperto.
• Canali quantistici. Esempi a un qubit.
• Entropia di Shannon e entropia di Von Neumann, informazione mutua

• Dense coding e crittografia quantistica (cenni)
  

Piattaforme sperimentali

• Implementazione fisica di qubit

  - qubit superconduttivi

  - atomi freddi

  - sistemi a stato solido (spin)

• Implementazione di gates e computer quantistici
• Approccio analogico e simulatori quantistici
• Vantaggi e problematiche nelle varie realizzazioni

Readings/Bibliography

M.A. Nielsen and I.L. Chuang, Quantum Computation and Quantum information, Cambridge

J. Preskill, Quantum information and Computation and Quantum, http://theory.caltech.edu/~preskill/

Altri suggerimenti di lettura e materiale verrà messo sulla piattaforma Virtuale

Teaching methods

Il corso consiste di 48 ore di lezione in aula organizzate su 3 moduli (prof.ri Calarco, Ercolessi, Minardi)

Assessment methods

L'esame finale si svolgerà oralmente; ciascuno studente dovrà discutere, con la commissione, argomenti trattati a lezione, a partire dalla lettura del materiale didattico forniti durante il corso.

Nello specifico, nella prova finale saranno valutate e le conoscenze e competenze acquisite durante il corso, costruite a partire dalla lettura dei materiali forniti, quali:

• le conoscenze teoriche acquisite sulla teoria dell'informazione, comunicazione e computazione quantistica;
• la capacità di descrivere semplici protocolli quantistici e applicazioni, confrontandoli con gli analoghi classici;
  
• le conoscenze sulle diverse implementazioni sperimentali;
• la capacità di confrontare le diverse piattaforme;
• la capacità di analizzare i contenuti disciplinari riconoscendone i nodi concettuali e fondazionali;
• la capacità di analizzare possibili impatti futuro in ambito scientifico, culturale e sociale.

Teaching tools

Tutto il materiale del corso sarà disposizione su Vituale.

Office hours

See the website of Elisa Ercolessi

See the website of Francesco Minardi

See the website of Tommaso Calarco