B2765 - FUNDAMENTALS OF QUANTUM COMMUNICATIONS AND COMPUTING ENGINEERING

Conoscenze e abilità da conseguire

Lo studente acquisisce la conoscenza dei concetti fondamentali e delle tecnologie per l’ingegneria dell’informazione quantistica, specificatamente i protocolli e gli algoritmi per le comunicazioni e la computazione quantistica: qubit, entanglement, porte quantistiche, elaborazione di informazioni quantistiche, algoritmi quantistici, correzione dell'errore, protocolli quantistici per la distribuzione sicura di chiavi crittografiche. Al termine del corso lo studente è in grado di progettare protocolli e algoritmi quantistici di base, e di testarli su computer quantistici accessibili via cloud.

Contenuti

• Prerequisiti
  

L’insegnamento è destinato agli studenti dei corsi magistrali in ingegneria elettronica, telecomunicazioni, informatica, biomedica, automazione. Al fine di seguire proficuamente le lezioni lo studente deve avere familiarità con le operazioni nel campo dei numeri complessi e conoscenze dei fondamenti dell’algebra lineare. Il corso prevede comunque alcuni richiami in proposito.

• Programma

Principi della meccanica quantistica: stati quantistici, qubit, sistemi quantistici composti, misure e operazioni quantistiche. Entanglement, il paradosso EPR, il teorema di Bell, il teorema del no-cloning.

Calcolo quantistico: gate a uno e due qubit, insiemi di porte universali.

Algoritmi quantistici: trasformata di Fourier quantistica, algoritmo per la ricerca del periodo, algoritmo di fattorizzazione di Shor, violare la crittografia RSA con l'algoritmo di Shor, algoritmo di ricerca di Grover.

Correzione degli errori quantistici: codici stabilizzatori, surface codes.

Comunicazione quantistica: purificazione e teletrasporto, distribuzione di chiavi quantistiche, protocollo BB84, Quantum Internet.

Ulteriori argomenti del corso, svolti a livello introduttivo, riguardano: applicazioni alla sicurezza e al sensing, risoluzione di sistemi di equazioni lineari, quantum machine learning e reti neurali quantistiche.

Testi/Bibliografia

Appunti distribuiti dai docenti.

Per approfondimenti:

Michael A. Nielsen, Isaac L. Chuang, "Quantum Computation and Quantum Information", Cambridge University Press, 2010

John Preskill, "Quantum Computation" (lecture notes)

M. M. Wilde, “Quantum information theory”, Cambridge University Press, 2013.

E. G. Rieffel, W. H. Polak, “Quantum computing: A gentle introduction”, MIT Press, 2011.

N. D. Mermin, “Quantum computer science: an introduction”, Cambridge University Press, 2007.

Metodi didattici

Il corso, che si svolge al secondo semestre, è tenuto in italiano e prevede 50 ore di lezione, di cui 38 ore in aula + 12 ore in laboratorio. 

E' strutturato in lezioni frontali in aula in cui vengono presentati gli aspetti teorici degli argomenti trattati, e in sessioni di laboratorio interattive e pratiche, dove verrà utilizzato un vero computer quantistico accessibile via cloud, con esercitazioni guidate per migliorare l'esperienza di apprendimento.

Le esercitazioni, che si terranno sia in aula che in laboratorio, sono programmate in modo che all’interno di ciascuna lo studente possa realizzare praticamente le soluzioni dei problemi delineati in forma teorica durante le lezioni.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L’esame si compone di due parti:

• svolgimento di un elaborato che può consistere nella realizzazione di un’applicazione relativa a uno o più argomenti trattati nel corso o in una relazione che illustri i contenuti di un articolo scientifico su quantum information, con analisi critica dell’approccio proposto e delle potenziali ricadute applicative. La consegna della documentazione relativa all’elaborato (ivi incluso il software sviluppato nel caso di progetto) è indispensabile per poter sostenere la prova orale;

• una prova orale che consiste nella discussione dell’elaborato.

Il voto finale, espresso in trentesimi, tiene conto delle valutazioni riportate in entrambe le parti.

Strumenti a supporto della didattica

Per l’implementazione di circuiti quantistici e per lo sviluppo di algoritmi quantistici si fa ricorso sia a computer quantistici IBM resi disponibili in cloud, sia a simulatori; si utilizzano i linguaggi OpenQASM e Python con l’sdk Qiskit tramite scrittura del codice in ambiente notebook.

 

 

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Marco Chiani

Consulta il sito web di Dario Maio