134769 - QUANTUM COMPUTING

insegnamento

ID:

134769

Tipo Insegnamento:

Opzionale

Durata (ore):

54

CFU:

SSD:

FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE

Url:

Dettaglio Insegnamento:

FISICA/PERCORSO COMUNE Anno: 1

Anno:

2024

Periodo di attività

Secondo Semestre (24/02/2025 - 06/06/2025)

Obiettivi Formativi

Il calcolo quantistico promette di rivoluzionare il modo in cui formuliamo ed effettuiamo calcoli e simulazioni. E' un campo in rapida evoluzione, ed ha ovvi e stretti legami con la meccanica quantistica (teorica ed applicata) e l'informatica. Questo corso fornisce un'introduzione al calcolo quantistico e alle simulazioni quantistiche. Una particolare attenzione è data al ruolo della misura quantistica. Gli studenti avranno anche la possibilità di provare algoritmi quantistici su macchine dedicate.

Prerequisiti

All'interno del corso verranno fornite informazioni basilari di meccanica quantistica, ma una conoscenza precedente della meccanica quantistica, almeno a livello di corso introduttivo, è fortemente consigliata. Conoscenze elementari di linguaggi di programmazione e, in particolare, di Python sono di grande aiuto.

Metodi didattici

Il corso si basa su lezioni e seminari che coprono i principali aspetti teorici del calcolo quantistico e su attività di laboratorio in cui vengono presentate inplementazioni concrete.

Verifica Apprendimento

Scopo dell'esame è verificare tanto la conoscenza teorica quanto la capacità pratica di usare algoritmi quantistici per studiare problemi di test. Durante l'esame orale lo studente deve presentare un'implementazione pratica degli algoritmi quantistici.

Testi

G. Fano, S.M. Blinder - Twenty-First Century Quantum Mechanics: Hilbert Space to Quantum Computers
M.A. Nielsen, I.L. Chuang - Quantum computing and quantum information
Appunti verranno forniti dai docenti.

Contenuti

Il corso è costituito da 54 ore di insegnamento che includono lezioni, esercizi ed attività di laboratorio. Alcune delle lezioni saranno tenute in forma di seminari da parte del Prof. Concezio Bozzi, Prof. Giuseppe Pagliara, Prof. Fabio Schifano e Prof. Michal Bejger. Il corso è strutturato nelle seguenti sezioni:

Introduzione al corso - 2 ore

Contesto matematico e fondamenti concettuali (Masina) - 9 ore
- Qubits, stati puri e misti, sfera di Bloch. Separabilità ed entanglement, stati di Bell, entropia di von Neumann.
- Paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen. Correlazioni di spin.
- Disuguaglianze di Bell-Wigner, Bell e CHSH. Esperimento di Aspect. Simulazioni con circuiti quantistici.
- Porte logiche e teoremi base in informazione quantisitca.

Algoritmi di calcolo quantistico (Bozzi) - 9 ore
- Tipologie di calcolo quantistico (analogico/digitale)
- porte logiche
- algoritmi famosi (Grover, Shor, ecc.)
- applicazioni alla fisica delle alte energie

Laboratorio di calcolo quantistico (Zanghirati e Schifano) - 18 ore
- Una breve introduzione all'ottimizzazione regolare senza vincoli
- Metodi numerici per l'ottimizzazione senza vincoli
- Calcolo quantistico al lavoro: da tempi non-polinomiali a tempi polinomiali
- Calcolo quantistico ed apprendimento statistico supervisionato
- Laboratorio di calcolo quantistico:
* Introduzione alle librerie in Python
* Introduzione al sistema Qiskit dell'IBM
* Esempi d'uso ed esercizi con Qiskit
- Problemi di test: colorazione di grafi.

Reti neurali quantistiche (Drago e Bejger) - 6 ore
- Breve introduzione alle reti neurali
- reti neurali quantistiche
- macchine di Boltzmann quantistiche

Simulazioni quantistiche: dall'idea di Feynman alle realizzazioni concrete (Drago) - 4 ore

L'implementazione fisica del calcolo quantistico (Pagliara) 7 ore
- decoerenza
- realizzazione fisica di computer quantistici