Insegnamento — Luciano Lenzini

Estratto da Quantum Computing and Quantum Internet

Motivazione

Il quantum computing è un paradigma computazionale emergente che sfrutta i principi della meccanica quantistica per elaborare l'informazione in modi fondamentalmente diversi da quelli dei computer classici. Sfruttando fenomeni come sovrapposizione, interferenza ed entanglement, gli algoritmi quantistici possono offrire vantaggi significativi per specifici compiti computazionali, tra cui la fattorizzazione di interi, la simulazione quantistica, l'ottimizzazione e la ricerca.

Il rapido progresso dell'hardware quantistico è stato accompagnato dallo sviluppo di ecosistemi software sempre più sofisticati. Oggi, software development kit come Qiskit consentono ai programmatori di progettare, simulare, testare ed eseguire programmi quantistici sia su simulatori classici sia su processori quantistici. Di conseguenza, la programmazione quantistica sta emergendo come una nuova disciplina all'intersezione tra informatica, ingegneria del software, matematica e scienza dell'informazione quantistica.

Allo stesso tempo, una seconda frontiera tecnologica sta prendendo forma: il quantum Internet. Mentre l'Internet classico consente lo scambio di informazione digitale, le reti quantistiche sono progettate per distribuire stati quantistici ed entanglement tra nodi geograficamente separati. Tali capacità aprono la strada ad applicazioni prive di controparte classica, tra cui la comunicazione quantum-secure, il calcolo quantistico distribuito, il blind quantum computing e le reti di sensori quantistici.

La visione di lungo periodo è la creazione di reti quantistiche su larga scala che interconnettano processori, memorie e sensori quantistici attraverso una nuova generazione di infrastrutture di comunicazione. Realizzare questa visione richiede lo sviluppo di nuove architetture, protocolli e tecnologie, tra cui i quantum repeater, i meccanismi di distribuzione dell'entanglement, il teletrasporto quantistico e i protocolli di controllo delle reti quantistiche.

Con la progressiva maturazione delle tecnologie quantistiche, gli ingegneri informatici e gli sviluppatori software avranno sempre più bisogno di comprendere non solo come funzionano i computer quantistici, ma anche come le applicazioni quantistiche possano essere progettate, implementate e distribuite su sistemi quantistici interconnessi.

Pensato per gli studenti di Computer Engineering, questo corso di livello intermedio sviluppa le conoscenze e le competenze pratiche necessarie per programmare i computer quantistici, implementare protocolli di comunicazione quantistica e comprendere le architetture alla base delle future reti quantistiche.

Descrizione del corso

Questo corso propone uno studio di livello intermedio del quantum computing e del quantum networking da una prospettiva di ingegneria del software. Introduce i concetti fondamentali dell'elaborazione dell'informazione quantistica, i principi alla base dei sistemi di comunicazione quantistica e le metodologie necessarie per progettare e implementare software e protocolli quantistici.

Il corso combina fondamenti teorici ed esperienza pratica di programmazione. Gli argomenti includono stati e operazioni quantistiche, algoritmi quantistici, protocolli di comunicazione quantistica, modelli di rumore quantistico, correzione degli errori quantistici e i principi architetturali del quantum Internet. Particolare enfasi è posta sulla comprensione di come l'informazione quantistica possa essere elaborata, trasmessa, protetta e sfruttata sia in computer quantistici isolati sia in sistemi quantistici interconnessi.

Una componente significativa del corso è dedicata allo sviluppo software. Attraverso lezioni, esercitazioni guidate e le attività pratiche del Laboratorio di Quantum Software, gli studenti imparano a implementare, testare, fare debug e analizzare algoritmi quantistici e protocolli di quantum networking utilizzando framework software moderni.

Il Laboratorio di Quantum Software utilizza Qiskit, l'SDK Python open-source di IBM per il quantum computing, e QuantumSavory.jl, un framework Julia per la simulazione e lo studio di sistemi e reti quantistiche. Gli studenti sviluppano programmi eseguibili su simulatori e, quando le risorse sono disponibili, su processori quantistici reali.

Risultati di apprendimento

Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di:

modellare e manipolare l'informazione quantistica utilizzando il formalismo matematico della meccanica quantistica
progettare e implementare algoritmi quantistici utilizzando i framework software quantistici contemporanei
analizzare gli effetti del rumore e delle imperfezioni nei sistemi quantistici
comprendere i principi e i meccanismi della correzione degli errori quantistici
implementare e valutare protocolli di comunicazione quantistica
modellare e simulare reti quantistiche e architetture di quantum Internet
valutare criticamente le opportunità e i limiti delle tecnologie quantistiche attuali ed emergenti

Ambito e focus

Questo corso adotta una prospettiva orientata al software sul quantum computing e sul quantum networking. Il suo obiettivo primario è fornire agli studenti gli strumenti concettuali e pratici necessari per progettare, implementare e analizzare algoritmi quantistici e protocolli di comunicazione quantistica.

Cosa questo corso non copre. Il corso non tratta l'implementazione fisica dell'hardware quantistico. In particolare, non copre le tecnologie dei qubit, l'ingegnerizzazione dei processori quantistici né la realizzazione hardware dei gate quantistici. Argomenti come qubit superconduttivi, ioni intrappolati, atomi neutri, piattaforme fotoniche e fabbricazione dei dispositivi quantistici sono al di fuori dell'ambito del corso.

I computer e le reti quantistiche sono invece trattati come sistemi programmabili il cui comportamento può essere modellato, analizzato e sfruttato attraverso il software. L'enfasi è quindi posta su elaborazione dell'informazione quantistica, programmazione quantistica, algoritmi quantistici, protocolli di comunicazione quantistica, correzione degli errori quantistici e architetture di rete quantistiche.

Prerequisiti

Nessuna conoscenza pregressa richiesta. Non è richiesta alcuna conoscenza pregressa di meccanica quantistica. I concetti quantomeccanici necessari per comprendere l'elaborazione dell'informazione quantistica vengono introdotti e sviluppati durante il corso.

Non è richiesta esperienza pregressa di quantum computing, programmazione quantistica o linguaggio Julia.

Gli studenti che si iscrivono a questo corso devono possedere:

una solida preparazione in algebra lineare, inclusi spazi vettoriali, operatori lineari, matrici, autovalori e autovettori, trasformazioni di base, prodotti tensoriali e decomposizione spettrale
buona padronanza della programmazione in Python
una comprensione di base della complessità computazionale e dell'analisi degli algoritmi, incluse la notazione O-grande e le classi di complessità P e NP

Laboratorio di Quantum Software

La componente di laboratorio del corso offre esperienza pratica con i framework software quantistici e gli strumenti di sviluppo contemporanei. Il suo obiettivo primario è colmare il divario tra concetti teorici e implementazione pratica attraverso la progettazione, l'esecuzione e l'analisi di programmi quantistici e protocolli di quantum networking.

Gli studenti lavorano con due ambienti software complementari. Qiskit, l'SDK Python open-source di IBM, è utilizzato per sviluppare, simulare ed eseguire algoritmi quantistici su simulatori e, quando le risorse sono disponibili, su processori quantistici reali. QuantumSavory.jl, un framework Julia per la simulazione di sistemi e reti quantistiche, è utilizzato per modellare protocolli di comunicazione quantistica, meccanismi di distribuzione dell'entanglement e architetture di quantum Internet.

Qiskit — Python · IBM Quantum · QuantumSavory.jl — Julia · Quantum networks

Il Laboratorio di Quantum Software enfatizza le pratiche di ingegneria del software, tra cui progettazione dei programmi, debugging, validazione, analisi delle prestazioni e riproducibilità. Particolare attenzione è dedicata alla comprensione di come i concetti teorici dell'informazione quantistica si traducano in software eseguibile.

Sviluppo assistito da AI. Data la rapida evoluzione del settore, gli studenti sono inoltre incoraggiati a utilizzare in modo critico e responsabile i moderni strumenti di sviluppo assistiti dall'AI, inclusi large language model e coding agent. Questi strumenti sono considerati ausili alla produttività, non sostituti della comprensione tecnica. Gli studenti restano responsabili della validazione, dell'interpretazione e della piena comprensione del software che sviluppano.

Esame

La valutazione si basa su un esame orale in due parti — un circuito quantistico da risolvere alla lavagna, poi una domanda teorica — e su un progetto sviluppato con Qiskit e/o QuantumSavory.jl. Regole, domande di esempio e progetti passati sono nella pagina Esame e Progetti.

Dettagli d'esame, regole del progetto, domande di esempio e progetti passati →

Programma Dettagliato

Venti unità, dal qubit alla Quantum Internet

Venti unità didattiche, dai fondamenti al quantum Internet. Gli argomenti di dettaglio sono riportati in inglese, la lingua di erogazione del corso.

Unit 1 — Fondamenti di quantum computing e sistemi a singolo qubit

Course Overview and Learning Objectives
From Classical Bits to Quantum Bits
The Qubit as the Fundamental Unit of Quantum Computation
Examples of Physical Qubit Realizations
Postulate I: Quantum States and State Representation
Mathematical Description of a Qubit
The Bloch Sphere Representation
Relative and Global Phases
Postulate II: Time Evolution of Quantum Systems
Single-Qubit Quantum Gates
Postulate III: Quantum Measurement
Measurement of a Single Qubit
Quantum Circuits as a Model of Computation
Composition of Single-Qubit Gates