TECNOLOGIES OF QUANTUM INFORMATION

Questo corso introduce i concetti fondamentali della meccanica quantistica e la loro applicazione nelle tecnologie dell'informazione e della computazione quantistica. Il corso e' progettato per fornire agli studenti una comprensione completa dei fenomeni quantistici, portando allo sviluppo della teoria dell'informazione quantistica e del modello a gate per la computazione quantistica. Al termine del corso, gli studenti possederanno le conoscenze necessarie per comprendere e interagire con le attuali tecnologie quantistiche, rispondendo alle esigenze multidisciplinari di diversi settori industriali e aprendo nuove opportunità di impiego e specializzazione nel campo delle tecnologie quantistiche.

Al termine con successo di questo corso, gli studenti saranno in grado di:

1. Comprendere i concetti chiave della meccanica quantistica, inclusi gli stati quantistici, la sovrapposizione e l'entanglement.
2. Applicare i principi della meccanica quantistica nel contesto dell'informazione quantistica e delle tecnologie quantistiche.
3. Analizzare e progettare algoritmi quantistici di base utilizzando il modello a porte per il calcolo quantistico.

Lezioni frontali, esercizi e dimostrazioni con software dedicato. Saranno organizzati dei Seminari tenuti da ricercatori da Enti di Ricerca operanti nel settore della nanoelettronica.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Per poter seguire questo corso, gli studenti devono possedere le seguenti conoscenze di base:

• Algebra Lineare: Comprensione degli spazi vettoriali, delle matrici, degli autovalori e degli autovettori.
• Teoria della Probabilità: Concetti di base, inclusi le distribuzioni di probabilità, i valori attesi e l'indipendenza statistica.
• Meccanica Classica.
• Elettromagnetismo.

Gli studenti che non possiedono alcuni di questi prerequisiti sono incoraggiati a rivedere il materiale pertinente prima dell'inizio del corso. Risorse supplementari possono essere fornite su richiesta.

1. Introduzione al corso e alle tecnologie quantistiche (lezione: 1 ora. [1,2])

2. Introduzione alla Meccanica Quantistica per Ingegneri (lezione: 11 ore, esercitazione e laboratorio 10 ore. [1,2,3,4])

• contesto storico e prima rivoluzione quantistica
• richiami di algebra lineare (con esercizi)
• postulati della meccanica quantistica, stati quantistici, osservabili e misure, equazione di Schrödinger dipendente dal tempo(con esercizi)
• spin ed esperimento di Stern-Gerlach (con esercizi)
• Hamiltoniane ed equazione di Schrödinger indipendente dal tempo (con esercizi)
• sistemi a 2 livelli ed oscillazioni di Rabi (con esercizi)
• barriere di potenziale ed effetto tunnel (con esercizi)
• oscillatore armonico quantistico (con esercizi)

3. Teoria dell'Informazione Quantistica (lezione: 10 ore, esercitazione e laboratorio: 10 ore. [1,2,3])

• Introduzione all'informazione quantistica
• Qubit e Rappresentazione sulla Sfera di Bloch (con esercizi)
• Entanglement e Non-località (con esercizi)
• Modello a Gate: Porte e Circuiti Quantistici (con esercizi)
• Teorema di No-Cloning Quantistico
• Teletrasporto Quantistico e Codifica Superdensa
• cenni su algoritmi quantistici: Deutsch-Jozsa, Ricerca di Grover e Algoritmo di Shor

4. Tecnologie Quantistiche in pratica (lezione: 6 ore, esercitazione e laboratorio: 10 ore. [1,2,3])

• Realizzazioni Fisiche dei Computer Quantistici
• uso di computer quantistici reali con IBM Quantum e qiskit (con esercizi)
• Circuiti superconduttivi quantistici (con esercizi e simulazioni con python e qutip)
• Tecnologie Quantistiche Attuali e Prospettive Future

N.B.: tutti i teoremi possono essere richiesti all'esame.

[1] Note fornite dal docente sulla piattaforma studium.

[2] Quantum Information Science. Manenti and Motta.

[3] Quantum Computation and Quantum Information. Nielsen and Chuang.

[4] C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, and F. Lalöe. Quantum Mechanics - vol 1, volume 1. Wiley-Interscience Publication, 1977.

• L'esame consiste di una prova scritta e di una eventuale prova orale. Il voto finale sarà dato da una valutazione complessiva delle due prove.
• Sono previste durante il corso due prove in itinere.
• E' possibile, a richiesta dello studente e previo assenso del docente, sostituire l'orale con una tesina. L'esame comprenderà una breve esposizione del tema, che determina il superamento della prova, e la presentazione dell'elaborato, che determina il voto.
• La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento.

E' a disposizione nel materiale didattico del corso una raccolta di esercizi di esame.

Durante la prova orale saranno formulate domande sulla prova scritta, e domande che, prendendo spunto dall'esposizione dell'argomento, possono spaziare su tutto il programma svolto.

L'elaborato sostitutivo dell'orale consiste in uno analisi approfondita di un argomento relativo al corso.