INTRODUZIONE ALLE TECNOLOGIE QUANTISTICHE

INTRODUZIONE ALLE TECNOLOGIE QUANTISTICHE

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iten
Codice
101954
ANNO ACCADEMICO
2020/2021
CFU
6 cfu al 3° anno di 8758 FISICA (L-30) GENOVA

6 CFU al 1° anno di 9012 FISICA (LM-17) GENOVA

6 CFU al 2° anno di 9012 FISICA (LM-17) GENOVA

SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE
FIS/03
LINGUA
Italiano
SEDE
GENOVA (FISICA )
periodo
2° Semestre
materiale didattico

PRESENTAZIONE

Lo scopo di questo corso è illustrare i principi fondamentali della computazione quantistica e della teoria quantistica dell’informazione. Verranno inoltre discusse le principali piattaforme sperimentali nelle quali tali tecnologie quantistiche vengono implementate.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Questo corso fornirà gli strumenti concettuali chiave per la comprensione dei più recenti sviluppi nei campi della computazione quantistica e dell’informazione quantistica. Si porrà grande attenzione nello spiegare protocolli crittografici quantistici, algoritmi quantistici (di Deutsch e di Grover) e nel discutere le principali realizzazioni concrete di un qubit (ioni intrappolati, qubit a superconduttore).

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

La distribuzione sicura di chiavi crittografiche quantistiche al servizio del trasferimento di dati sensibili tra banche e la recente produzione di articoli scientifici che riportano risultati ottenuti per mezzo di computer quantistici oramai accessibili nel Cloud (IBM, Rigetti) sono solo due dei molti esempi di come la rilevanza delle tecnologie quantistiche stia progressivamente crescendo nella vita di tutti i giorni. Partendo da una revisione critica di concetti base della meccanica quantistica come il sistema a due livelli (paradigma del qubit, l’elemento costitutivo fondamentale della logica quantistica) e gli oscillatori armonici, nonché delle loro interazioni, gli studenti impareranno a maneggiare concetti come la sovrapposizione quantistica degli stati, l’entanglement e le correlazioni quantistiche. Queste idee sono alla base dello sviluppo della crittografia quantistica e degli algoritmi quantistici. I vantaggi e le limitazioni delle tecnologie allo stato dell’arte per lo sviluppo concreto di sistemi a due livelli controllabili con precisione (come ioni intrappolati e qubit a superconduttore) saranno discussi in dettaglio, assieme a sistemi di recentissima introduzione che promettono di diventare i nuovi paradigmi sperimentali.

Modalità didattiche

Lezioni frontali alla lavagna. Esame orale.

PROGRAMMA/CONTENUTO

0. Introduzione al corso  

   0.1 Cosa sono le tecnologie quantistiche? 

   0.2 Informazione quantistica e computazione quantistica

 

1. Accenni alla logica classica 

   1.1 Rappresentazione astratta di un bit 

   1.2 Operatori logici classici

   1.3 Operazioni reversibili a singolo bit 

   1.4 Entropia di Shannon 

   1.5 Entropia di von Neumann  

   1.6 Operazioni reversibili a due bit 

 

2. Cos’è un bit quantistico? 

   2.1 Polarizzazione della luce

   2.2 Polarizzazione di un fotone

   2.3 Il sistema a due livelli come paradigma per un qubit

   2.4 Prerequisiti di base: matrici di Pauli, evoluzione temporale di un sistema con un numero finito di gradi di libertà

   

3. Manipolazione dei qubit 

   3.1 Evoluzione dinamica

   3.2 Oscillazioni di Rabi

   3.3 Soluzione generale di un sistema a due livelli

 

4. Correlazioni quantistiche

   4.1 No cloning-theorem

   4.2 Quantum cryptography

   4.3 Stati a due qubit 

   4.4 Entanglement in stati a due qubit

   4.5 Operatore densità: stati puri e stati misti  

   4.6 Modello semplice di decorrenza

   4.7 Disuguaglianze di Bell

 

5.  Algoritmi quantistici  

   5.1 Porte logiche quantistiche 

   5.2 Teletrasporto quantistico

   5.3 Algoritmo di Deutsch 

   5.4 Algoritmo di ricerca di Grover  

   5.5 Protocolli quantistici di correzione degli errori  

   5.6 Accenni all’algoritmo di Shor   

   (Dimostrazione pratica sul computer quantistico IBM)

 

6. Realizzazioni fisiche  

   6.1 Criteri di Di Vincenzo per la computazione quantistica 

   6.2 Cenni al computer D-Wave e ai quantum annealers

   6.3 Ioni intrappolati 

   6.4 Giunzione Josephson nella descrizione di Feynman  

   6.5 Descrizione quantistica di un circuito LC e di un circuito superconduttivo  

   6.6 Qubit carico  

   6.7 Modello di Jaynes-Cummings: regime risonante e regime dispersivo

 

7 L’oscillatore armonico quantistico

   7.1 Stati numero 

   7.2 Stati coerenti

   7.3 Stati squeezed 

TESTI/BIBLIOGRAFIA

M. Le Bellac “A short Introduction to Quantum Information and Quantum Computation”. Cambridge University Press (2006).

R. P. Feynman "Lectures on Physics", vol. 3. 

N. K. Langford “Circuit QED-Lecture Notes”

 

DOCENTI E COMMISSIONI

Ricevimento: I ricevimenti vengono concordati con gli studenti su appuntamento (telefono, mail) e alla fine della lezione.

LEZIONI

Modalità didattiche

Lezioni frontali alla lavagna. Esame orale.

ESAMI

Modalità d'esame

Orale