Quantum e post-quantum computing

L'insegnamento introduce i fondamenti del calcolo quantistico e post-quantistico con un taglio orientato all'Informatica. Dopo un breve inquadramento storico della nascita della meccanica quantistica e della crisi della fisica classica, il corso presenta i concetti essenziali di qubit, sovrapposizione, interferenza, entanglement, misura, operatori unitari e spazi di Hilbert.
Viene quindi introdotto il modello a circuiti quantistici, con le principali porte quantistiche e semplici esempi di costruzione e interpretazione di circuiti. Sono inoltre discussi il ruolo della decoerenza, della correzione d'errore quantistica, delle disuguaglianze di Bell e alcuni elementi di ottica quantistica rilevanti per l'informazione quantistica e la comunicazione quantistica.
Il corso presenta algoritmi quantistici fondamentali, tra cui Deutsch-Jozsa, Grover e Shor, con particolare attenzione al loro significato computazionale e al loro impatto sulla crittografia classica. Vengono introdotte la quantum key distribution e le principali famiglie della crittografia post-quantum, tra cui schemi lattice-based, code-based, hash-based e multivariate.
L'insegnamento offre inoltre una panoramica delle applicazioni del calcolo quantistico oltre la crittografia, quali simulazione quantistica, ottimizzazione, modelli ibridi quantistico-classici e quantum machine learning. Verranno infine mostrati entrambi gli ambienti Qiskit/Python e Q#, con esercitazioni dedicate alla costruzione, simulazione e analisi di semplici circuiti e algoritmi quantistici.

Al termine del corso, la studentessa o lo studente avrà acquisito una comprensione dei concetti fondamentali della meccanica quantistica necessari al calcolo quantistico e sarà in grado di collocare storicamente la nascita del paradigma quantistico. Saprà rappresentare stati di qubit mediante vettori e operatori, interpretare l'evoluzione mediante trasformazioni unitarie e descrivere il processo di misura in termini probabilistici.
La studentessa o lo studente sarà in grado di spiegare il ruolo di sovrapposizione, interferenza, entanglement e decoerenza nel funzionamento dei circuiti quantistici, nonché di leggere e costruire semplici circuiti basati su porte elementari e controllate. Saprà inoltre comprendere il significato delle disuguaglianze di Bell e riconoscere il ruolo dell'ottica quantistica nei protocolli di informazione e comunicazione quantistica.
Per quanto riguarda gli algoritmi, sarà in grado di illustrare le idee principali alla base degli algoritmi di Deutsch-Jozsa, Grover e Shor, comprendendone il vantaggio computazionale e le implicazioni per la crittografia. Saprà distinguere tra schemi crittografici classici vulnerabili ad attacchi quantistici, primitive simmetriche parzialmente indebolite e soluzioni post-quantum.
La studentessa o lo studente saprà distinguere tra quantum key distribution e crittografia post-quantum, riconoscendo le principali famiglie di schemi post-quantum e il loro ruolo nella transizione verso infrastrutture quantum-safe. Sarà inoltre in grado di descrivere alcune applicazioni non crittografiche del calcolo quantistico, valutandone opportunità, limiti e stato di maturità.
Dal punto di vista pratico, acquisirà familiarità introduttiva con Qiskit/Python e Q#, utilizzandoli per costruire, simulare e analizzare semplici circuiti quantistici, eseguire misure, interpretare risultati e confrontare diversi approcci alla programmazione quantistica.