Analysis and experiments on quantum communication protocols and algorithms

Quantum computation is the latest technology available in software development. Even if nowadays it is at its early stage, it has already proved to be able to break some of the limitation imposed by classical computation by solving specific problems exponentially faster and more efficiently than modern supercomputers. In this thesis, we will present the basic concepts of the information theory behind quantum computing. Specifically, we will introduce the Dirac notation used to describe quantum states, measurements and operations, then focusing on the key concepts of quantum computing, such as qubits, entanglement and circuits. We will then continue our work exploring those hybrid quantum-classical systems that leverage classical computation paradigms to enhance the capabilities offered by current Noisy intermediate-scale quantum computers. Here, we will present our experience implementing the QFaaS framework, a beta released hybrid system aimed at serving quantum functions as API services. In the end, we will analyse three quantum protocols/algorithms. The first one, the Quantum Teleportation protocol, is used to transfer quantum information (qubits) using classical binary technology (bits). The second one, the Superdense Coding protocol, is used to reach the opposite goal, to transfer classical information (bits) using quantum technology (qubits). The last one, the Bernstein-Vazirani algorithm, aims to find a secret string used by a specific oracle function to encrypt a generic binary input. For all these protocols/algorithms, we will provide an actual implementation using the IBM software development kit (Qiskit) and we will analyse the result obtained by running the relative circuits on real quantum machines.

La computazione quantistica è l'ultima tecnologia disponibile nell'ambito dello sviluppo software. Anche se oggi si trova nella sua fase iniziale, ha già dimostrato di poter superare i limiti imposti dalla computazione classica risolvendo alcuni problemi in maniera esponenzialmente più veloce e più efficiente rispetto ai moderni supercomputer. In questa tesi, andremo a presentare i concetti basilari della teoria dell'informazione alla base della computazione quantistica. Nello specifico, introdurremo la notazione di Dirac usata per rappresentare gli stati quantici, le misurazioni e le operazioni quantistiche, concentrandoci poi sui concetti chiave della computazione quantistica, quali i qubits, l'entanglement e i circuiti. Proseguiremo poi il nostro lavoro esplorando i sistemi ibridi quantistico-classici che sfruttano i paradigmi della computazione classica per arricchire le funzionalità offerte dai moderni computer quantistici. A riguardo, presenteremo la nostra esperienza nell'implementazione del framework QFaaS, un sistema ibrido rilasciato in versione beta, che si pone l'obiettivo di rendere disponibile l'accesso a funzioni quantiche attraverso semplici chiamate API. Infine, analizzeremo tre protocolli/algoritmi quantistici. Il primo, il protocollo di Teletrasporto Quantistico, è utilizzato per trasferire informazione quantica (qubits) attraverso la classica tecnologia binaria (bits). Il secondo, il protocollo di Codifica Superdensa, è invece utilizzato per perseguire l'obiettivo opposto, trasferire informazione classica (bits) utilizzando la tecnologia quantistica (qubits). L'ultimo, l'algoritmo di Bernstein-Vazirani, mira a trovare una stringa nascosta utilizzata da una specifica funzione oracolo per criptare un generico input binario. Per tutti questi protocolli/algoritmi forniremo un implementazione utilizzando il kit di sviluppo software di IBM (Qiskit) e, dopo aver eseguito i relativi circuiti su reali macchine quantistiche, effettueremo un'analisi dei risultati ottenuti.