Il corso si pone come obiettivi formativi l'acquisizione di
- conoscenza degli strumenti formali e concettuali della meccanica quantistica,
- capacita' di comprensione dei principali teoremi, paradossi e protocolli della logica quantistica.
- conoscenza e capacita' di comprensione applicate al funzionamento delle principali porte logiche quantistiche ed al teletrasporto
Titolo: Logica e computazione quantistica.
Elementi di teoria dell'informazione quantistica: implicazioni logiche e potenzialita' computazionali.
L'esame si tiene in forma orale e puo' essere
svolto in tre diverse modalita', a scelta dello studente.
modalita' "standard":
il colloquio, della durata di circa 45 minuti, si svolge alla lavagna, senza possibilita' di usare appunti e/o
libri. Il primo tema di discussione e' a scelta dello studente, mentre successivamente la discussione si sviluppa
secondo quanto stabilito dal docente.
modalita' "approfondimento":
15 giorni prima dell'esame studente e docente concordano un argomento (su proposta dello studente) che sia stato
trattato solo superficialmente, o non trattato affatto, durante il corso. Lo studente sviluppera' quindi un
approfondimento di tale argomento, che illustrera' alla lavagna e/o con slides, mediante una presentazione di 45 minuti. Durante
la presentazione lo studente puo' utilizzare schemi ed appunti preparati appositamente per l'approfondimento.
modalita' "lezione":
120 ore (=5 giorni) prima dell'esame il docente estrae a sorte uno fra gli argomenti sotto riportati. Lo studente
dovra' quindi fare una lezione alla lavagna su tale argomento, della durata di 45 minuti, rispondendo alle domande
del docente e dei compagni eventualmente presenti. Durante la lezione lo studente puo' utilizzare schemi ed appunti preparati appositamente per la lezione.
Gli argomenti delle "lezioni-esame" per l'a.a. 2021/22 sono (il riferimento e' alle lezioni tenute nel primo semestre dell'AA2122:
1-primo postulato: dalla definizione di spazio di Hilbert al principio
di sovrapposizione (rif: 1&2)
2-strumenti matematici della meccanica quantistica: i tre numeri magici,
la serie di taylor e le funzioni seno e coseno. Simmetria i->-i e
dualita' (rif: 2)
3-operatori lineari: cosa sono, cosa fanno e come si usano;
Identita', Proiettori, operatori Unitari, operatori Hermitiani.
Autovalori, autovettori e teorema spettrale (rif. 3&5)
4-La probabilita': interpretazione frequentista e proprieta'
intrinseche. Importanza della ripetizione dell'esperimento, media
aritmetica e valore di aspettazione. Postulato di misura per
misura proiettiva: enunciato e significato (rif.4).
5- Postulato di misura: interpretazione minimale e regola di Born. Stato
post-misura e collasso. Dal postulato di misura alla definizione di
osservabile come operatore hermitiano: valore di aspettazione come
limite della media aritmetica dei risultati. Risultati, autovalori e
funzione di calibrazione (rif. 4&5).
7- Unitarieta' dell'evoluzione dinamica ed equazione di Schroedinger
(condizioni sul tempo: omogeneita' e componibilita'); esponenziale di
-itH con H l'Hamiltoniana del sistema-> il propagatore;
stati stazionari, ovvero gli autostati dell'hamiltoniana, con cenni allo
spettro dell'atomo di idrogeno (rif.5).
9 - Esperimento della doppia fenditura (rif.6&7).
10- Fase relativa e fase globale a confronto: il caso del qubit.
Decoerenza e differenza concettuale fra "Ensemble" statistici e
postulato di misura. Importanza di poter fare misure su basi diverse
(rif. 7).
11- Composizione dei sistemi e prodotto tensore di spazi di Hilbert.
dei sistemi. Stati separabili e stati entangled: Entanglement e cenni
sul paradosso EPR e su quello del Gatto di Schroedinger (rif.8).
12- Dall'entanglement alla logica quantistica: porte logiche a singolo
qubit (X,Z,H) e porte controllate entangling (Cnot). Blocco H e CNOT per
generare lo stato entangled di Bell |e_1> . Protocollo del teletrasporto
(rif.9&10)
13- No-cloning theorem: non esiste la macchina fotocopiatrice universale
quantistica (dimostrazione). Discussione circa la rilevanza del teorema
e la distinguibilita' degli stati ortonormali (rif.10).
14- Crittografia asimmetrica a chiave pubblica, caratteristiche
generali. Crittografia a chiave privata e quantum key-distribution.
Protocollo B92 e cenni sulla struttura degli algoritmi quantistici
(rif.11)
15- La disuguaglianza di Bell (senza variabili nascoste): dalla
dimostrazione al ruolo fondamentale nel processo di validazione della
meccanica quantistica come teoria scientifica completa (rif.12).
Tabella docimologica di valutazione
Insufficiente
Valutazione negativa dovuta a gravi errori concettuali, comprensione frammentaria o nulla degli argomenti trattati, incapacità di applicare le conoscenze, gravi lacune e mancanza di autonomia.
18–22
Valutazione sufficiente o più che sufficiente dovuta a conoscenza elementare degli argomenti, presenza di alcuni errori, capacità di affrontare solo compiti semplici o guidati, livello base di autonomia.
23–25
Valutazione discreta dovuta a comprensione soddisfacente degli argomenti, capacità di applicare correttamente le conoscenze a contesti noti e di affrontare gli esercizi in modo autonomo con qualche imprecisione, con un soddisfacente livello di autonomia e competenza operativa.
26–28
Valutazione buona o molto buona, dovuta a solida comprensione teorica della disciplina, capacità di collegare concetti, risolvere problemi e proporre analisi critiche, di svolgere compiti complessi in modo autonomo, preciso ed efficace, con un buon livello di autonomia e competenza operativa.
29–30 e Lode
Valutazione eccellente o ottima, dovuta a conoscenze complete, approfondite e ben strutturate, capacità di operare in modo autonomo e flessibile, anche in contesti complessi o nuovi, di utilizzare il linguaggio disciplinare in modo appropriato, preciso e articolato, di evidenziare capacità critiche, originalità e rigore nell’esposizione e nell’applicazione.
La Lode è attribuita a elaborati o prestazioni che si distinguono per brillantezza e originalità, anche al di là delle aspettative curricolari.
Leonard Susskind ed Art Friedman
"Meccanica quantistica. Il minimo indispensabile per fare della (buona) fisica"