99476 - INTRODUZIONE ALLA SCIENZA E TECNOLOGIA QUANTISTICA

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 copre gli aspetti fondamentali della moderna teoria dell'informazione e computazione quantistica, affrontando le tematiche sia dal punto di vista teorico e concettuale (modulo 1 e 2) che sperimentale (modulo 3), con uno sguardo alle applicazioni tecnologiche.

Modulo 1 (Prof. Calarco, 16 h)

• Descrivere un oggetto quantistico

Il qubit: stati, evoluzione e misura

Sistemi composti: separabilità e entanglement

• Elementi di teoria della computazione quantistica

Gates quantistici elementari e circuiti; parallelismo quantistico e algoritmo di Deutsch; cenni su altri algoritmi

Copiare uno stato: distinguibilità e "fidelity"; teorema di no Cloning e l'implementazione della computazione classica

• Elementi di teoria dell'informazione e comunicazione quantistica

Stati separabili e entanglement

Il protocollo del teletrasporto

Modulo 2 (Prof. Ercolessi, 16 h)

• La logica quantistica e aspetti concettuali

Il principio di sovrapposizione e le sue conseguenze

Il ruolo della probabilità

L’entanglement e le sue applicazioni

Il paradosso EPR e la disuguaglianza di Bell

• Alcune applicazioni

Il computer quantistico digitale: semplici applicazioni su un emulatore (esercitazione in classe)

La crittografia quantistica: i protocolli BB84 e BBM92 (simulazione e esperienza in laboratorio)

• Sistemi aperti

Stati puri e stati misti: la matrice densità

L’interazione con l’ambiente e i canali quantistici

Esempi di decoerenza per un singolo qubit

Modulo 3 (Prof. Minardi, 16 h)

• Esperimenti di teletrasporto quantistico

Con fotoni, esperimento di Vienna

Con ioni (di S. Olmschenk et al.)

• Aspetti sperimentali particolarmente rilevanti

Misure di Bell con beam-splitter

Generazione di fotoni entangled mediante conversione parametrica

• Violazione sperimentale delle disuguaglianze di Bell

esperimento di Freedman e Clauser

esperimenti di Aspect

• Distribuzione di chiavi crittografiche quantistiche

dimostrazione sperimentale del protocollo E91

trasmissione di chiavi da satellite

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 di 16 ore ciascuno.

Durante il modulo 2 sono previste discussioni in classe con l’insegnante o a piccoli gruppi per approfondire gli aspetti concettuali e due sessioni di laboratorio, una numerica per l’uso dell’emulatore QISKIT e una sperimentale, per riprodurre un protocollo di distribuzione di chiave quantistica.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame finale è orale; 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 sui diversi esempi delle realizzazioni sperimentali;
• la capacità di analizzare i contenuti disciplinari riconoscendone i nodi concettuali e fondazionali.

Il voto finale è calcolato secondo il seguente schema:

Voto 18-19: conoscenze di base e capacità di analizzare solo un numero molto limitato di argomenti trattati nel corso; linguaggio complessivamente corretto.

Voto 20-25: conoscenza discreta e capacità di analizzare solo un numero limitato di argomenti trattati nel corso; linguaggio complessivamente corretto.

Voto: 26-28: buona conoscenza e capacità di analizzare un numero elevato di argomenti trattati nel corso; padronanza del linguaggio scientifico e uso corretto della terminologia specifica.

Voto: 29-30: preparazione completa sugli argomenti trattati nel corso, che dimostra una conoscenza e una capacità di analisi molto buona/eccellente; padronanza del linguaggio scientifico e uso corretto della terminologia specifica.

La lode è concessa agli studenti che dimostrano la capacità di organizzare analisi comparative e una rielaborazione personale/critica dell'argomento.

Gli studenti con disturbi specifici dell'apprendimento (DSA) o disabilità temporanee/permanenti sono invitati a contattare tempestivamente l'ufficio universitario competente (https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/en ). L'ufficio sarà responsabile di proporre agli studenti interessati gli adattamenti necessari. Tali soluzioni devono essere sottoposte all'approvazione del docente con almeno 15 giorni di anticipo e saranno valutate alla luce degli obiettivi di apprendimento del corso.

Strumenti a supporto della didattica

Tutto il materiale del corso (testi principali, letture consigliate, note o presentazioni dele lezioni) sarà disposizione su Virtuale.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Elisa Ercolessi

Consulta il sito web di Francesco Minardi

Consulta il sito web di Tommaso Calarco