99476 - INTRODUZIONE ALLA SCIENZA E TECNOLOGIA QUANTISTICA

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2022/2023

Conoscenze e abilità da conseguire

Si introdurranno le leggi fondamentali e le tecnologie innovative che sono alla base della nuova rivoluzione quantistica, che ci si aspetta avere anche un forte impatto sulla cultura e sulla società. Alla fine del corso, gli studenti e le studentesse avranno le conoscenze di base su: • la teoria e le principali applicazioni dell’informazione, comunicazione e computazione quantistiche; • la realizzazione fisica delle risorse quantistiche e dei protocolli. Alla fine del corso, gli studenti e le studentesse saranno in grado di: • analizzare semplici protocolli dell’elaborazione dell’informazione quantistica; • descrivere e confrontare le possibili piattaforme sperimentali; • riflettere sugli impatti futuro in ambito scientifico, culturale e sociale.

Contenuti

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

Testi/Bibliografia

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

Metodi didattici

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

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

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.

Strumenti a supporto della didattica

Tutto il materiale del corso sarà  disposizione su Vituale.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Elisa Ercolessi

Consulta il sito web di Francesco Minardi

Consulta il sito web di Olivia Levrini