Il corso fornisce una introduzione alla computazione quantistica. Data la natura interdisciplinare della materia in una prima parte viene fornito il background in fisica necessario, illustrando i fenomeni che hanno portato alla crisi della fisica classica e alla nascita della meccanica quantistica. Nella seconda parte si esamina il formalismo matematico utilizzato per la descrizione dei fenomeni alla base delle computazione quantistica. Nella terza parte si affronta l’aspetto informatico illustrando il concetto di qubit e le principali porte quantistiche a 1 e 2 qubit. Si illustrano inoltre esempi di semplici circuiti quantistici e protocolli di comunicazione quantistica. Durante il corso si svolgeranno delle esercitazioni in Qiskit per la implementazione di circuiti quantistici che verranno eseguiti sia su simulatore che su veri computer quantistici utilizzando la IBM Quantum Platform.

01. Onde e particelle
01.01 Onde elettromagnetiche
01.02 Interferenza, diffrazione e polarizzazione della luce
01.03 La legge di Planck
01.04 I fotoni e l’effetto fotoelettrico
01.05 Effetto Compton
01.06 La luce, onda o particella?
01.07 L’atomo di Bohr
01.08 La relazione di de Broglie

02. Il mondo dei quanti
02.01 Il principio di complementarità
02.02 Il principio di indeterminazione di Heisenberg
02.03 La funzione d’onda, l’equazione di Schrödinger
02.04 Il principio di sovrapposizione
02.05 Il problema della misura e il gatto di Schrödinger
02.06 Esperimenti which way
02.07 Entanglement e paradosso EPR
02.08 Disuguaglianze di Bell

03. Richiami sugli Spazi Vettoriali
03.01 Spazi di Hilbert
03.02 Ket e Bra
03.03 Basi
03.04 Operatori
03.05 Autovalori e autovettori
03.06 Prodotto tensore
03.07 I postulati della meccanica quantistica

04. Qubits
04.01 Computer quantistici
04.02 Dal bit al qubit
04.03 Sfera di Bloch
04.04 Sistemi a qubit multipli
04.05 Stati entangled
04.06 Porte logiche quantistiche a 1 qubit
04.07 Porte logiche quantistiche a 2 qubit    

05. Esempi di Circuiti Quantistici
05.01 3-CNOT gate
05.02 Circuito di Bell
05.03 SWAP test
05.04 Circuito GHZ
05.05 CHSH Game
05.06 Algoritmi di base: Deutsch-Jozsa e Grover
05.07 Correzione degli errori

06. Protocolli di comunicazione quantistica
06.01 No cloning theorem
06.02 Teletrasporto quantistico
06.03 Superdense Coding
06.04 Il protocollo BB84

Per quanto non vi siano propedeuticità obbligatorie si suggerisce vivamente di sostenere l'esame di questo insegnamento solo dopo aver superato gli esami di Fisica Generale e  Algebra e Geometria.

Conoscenza e comprensione:
Le studentesse e gli studenti al termine dell'insegnamento dovranno dimostrare comprensione critica sulle tematiche della fisica moderna alla base della computazione quantistica, comprendendo i limiti e i vantaggi di questo nuovo paradigma rispetto alla computazione classica.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
Le studentesse e gli studenti acquisiranno familiarietà con le tecniche di programmazione quantistica e dovranno essere in grado di applicarle alla risoluzione di semplici problemi. La capacità di realizzare semplici circuiti quantisitici verrà sviluppata ed affinata nelle esercitazioni su simulatori e hardware remoto per mezzo di piattaforme di sviluppo quali Qiskit di IBM.

Autonomia di giudizio:
Le studentesse e gli studenti saranno in grado di applicare quanto appreso per la comprensione e la risoluzione di nuovi problemi relativi al quantum computing. Le discussioni critiche in aula e le esercitazioni serviranno a stimolare e sviluppare l’autonomia di giudizio dello studente.

Abilità comunicative:
Le studentesse e gli studenti acquisiranno la capacità di esprimere i concetti fondamentali della meccanica quantistica e del quantum computing con terminologia appropriata e rigorosa.

Capacità di apprendimento:
Le studentesse e gli studenti acquisiranno la capacità di studiare ed approfondire autonomamente gli argomenti trattati nel corso attraverso testi e pubblicazioni scientifiche

Il materiale didattico predisposto dalla/dal docente in aggiunta ai testi consigliati (come ad esempio diapositive, dispense, esercizi, bibliografia) e le comunicazioni della/del docente specifiche per l'insegnamento sono reperibili all'interno della piattaforma Moodle › blended.uniurb.it

Modalità didattiche

Lezioni frontali ed esercitazioni

Obblighi

Sebbene fortemente consigliata, la frequenza non è obbligatoria.

Testi di studio

Dispense fornite dal docente per la parte di fisica

Introduction to Quantum computing,  R. LaPierre, Springer Nature Switzerland AG, 2021
Fundamentals of Quantum Computing: Theory and Practice, V. Kasirajan, Springer, 2021
Quest'ultimo libro è accessibile tramite rete di Ateno al seguente link:
https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-63689-0

Modalità di
accertamento

Prova orale. La valutazione della prova orale considera le conoscenze acquisite, la comprensione della materia, e la capacità di presentare in modo rigoroso l'argomento trattato.

Disabilità e DSA

Le studentesse e gli studenti che hanno registrato la certificazione di disabilità o la certificazione di DSA presso l'Ufficio Inclusione e diritto allo studio, possono chiedere di utilizzare le mappe concettuali (per parole chiave) durante la prova di esame.

A tal fine, è necessario inviare le mappe, due settimane prima dell’appello di esame, alla o al docente del corso, che ne verificherà la coerenza con le indicazioni delle linee guida di ateneo e potrà chiederne la modifica.

Modalità didattiche

Come per frequentanti.

Obblighi

Come per frequentanti.

Testi di studio

Come per frequentanti.

Modalità di
accertamento

Come per frequentanti.

Disabilità e DSA

Le studentesse e gli studenti che hanno registrato la certificazione di disabilità o la certificazione di DSA presso l'Ufficio Inclusione e diritto allo studio, possono chiedere di utilizzare le mappe concettuali (per parole chiave) durante la prova di esame.

A tal fine, è necessario inviare le mappe, due settimane prima dell’appello di esame, alla o al docente del corso, che ne verificherà la coerenza con le indicazioni delle linee guida di ateneo e potrà chiederne la modifica.