Quantum computing and post-quantum cryptography

One of the main practical implications of quantum mechanical theory is quantum computing, and therefore the quantum computer. Quantum computing (for example, with Shor’s algorithm) challenges the computational hardness assumptions, such as the factoring problem and the discrete logarithm problem, that anchor the safety of cryptosystems. So the scientific community is studying how to defend cryptography; there are two defense strategies: the quantum cryptography (which involves the use of quantum cryptographic algorithms on quantum computers) and the post-quantum cryptography (based on classical cryptographic algorithms, but resistant to quantum computers). For example, National Institute of Standards and Technology (NIST) is collecting and standardizing the post-quantum ciphers, as it established DES and AES as symmetric cipher standards, in the past. In this thesis an introduction on quantum mechanics was given, in order to be able to talk about quantum computing and to analyze Shor’s algorithm. The differences between quantum and post-quantum cryptography were then analyzed. Subsequently the focus was given to the mathematical problems assumed to be resistant to quantum computers. To conclude, post-quantum digital signature cryptographic algorithms selected by NIST were studied and compared in order to apply them in today’s life.

Integration of Internet of Things and Cloud computing. A case study on vital signs monitoring.

Il progresso scientifico e le innovazioni tecnologiche nei campi dell'elettronica, informatica e telecomunicazioni, stanno aprendo la strada a nuove visioni e concetti. L'obiettivo della tesi è quello d'introdurre il modello del Cloud computing per rendere possibile l'attuale visione di Internet of Thing. Nel primo capitolo si introduce Ubiquitous computing come un nuovo modo di vedere i computer, cercando di fare chiarezza sulla sua definizione, la sua nascita e fornendo un breve quadro storico. Nel secondo capitolo viene presentata la visione di Internet of Thing (Internet delle “cose”) che si avvale di concetti e di problematiche in parte già considerate con Ubiquitous computing. Internet of Thing è una visione in cui la rete Internet viene estesa agli oggetti di tutti i giorni. Tracciare la posizione degli oggetti, monitorare pazienti da remoto, rilevare dati ambientali sono solo alcuni esempi. Per realizzare questo tipo di applicazioni le tecnologie wireless sono da considerare necessarie, sebbene questa visione non assuma nessuna specifica tecnologia di comunicazione. Inoltre, anche schede di sviluppo possono agevolare la prototipazione di tali applicazioni. Nel terzo capitolo si presenta Cloud computing come modello di business per utilizzare su richiesta risorse computazionali. Nel capitolo, vengono inizialmente descritte le caratteristiche principali e i vari tipi di modelli di servizio, poi viene argomentato il ruolo che i servizi di Cloud hanno per Internet of Thing. Questo modello permette di accelerare lo sviluppo e la distribuzione di applicazioni di Internet of Thing, mettendo a disposizione capacità di storage e di calcolo per l'elaborazione distribuita dell'enorme quantità di dati prodotta da sensori e dispositivi vari. Infine, nell'ultimo capitolo viene considerato, come esempio pratico, l'integrazione di tecnologie di Cloud computing in una applicazione IoT. Il caso di studio riguarda il monitoraggio remoto dei parametri vitali, considerando Raspberry Pi e la piattaforma e-Health sviluppata da Cooking Hacks per lo sviluppo di un sistema embedded, e utilizzando PubNub come servizio di Cloud per distribuire i dati ottenuti dai sensori. Il caso di studio metterà in evidenza sia i vantaggi sia le eventuali problematiche che possono scaturire utilizzando servizi di Cloud in applicazioni IoT.

Multiple pathogen detection using nanoplasmonic sensing

Opportunistic diseases caused by Human Immunodeficiency Virus (HIV) and Hepatitis B Virus (HBV) is an omnipresent global challenge. In order to manage these epidemics, we need to have low cost and easily deployable platforms at the point-of-care in high congestions regions like airports and public transit systems. In this dissertation we present our findings in using Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR)-based detection of pathogens and other clinically relevant applications using microfluidic platforms at the point-of-care setting in resource constrained environment. The work presented here adopts the novel technique of LSPR to multiplex a lab-on-a-chip device capable of quantitatively detecting various types of intact viruses and its various subtypes, based on the principle of a change in wavelength occurring when metal nano-particle surface is modified with a specific surface chemistry allowing the binding of a desired pathogen to a specific antibody. We demonstrate the ability to detect and quantify subtype A, B, C, D, E, G and panel HIV with a specificity of down to 100 copies/mL using both whole blood sample and HIV-patient blood sample discarded from clinics. These results were compared against the gold standard Reverse Transcriptase Polymerase Chain Reaction (RT-qPCR). This microfluidic device has a total evaluation time for the assays of about 70 minutes, where 60 minutes is needed for the capture and 10 minutes for data acquisition and processing. This LOC platform eliminates the need for any sample preparation before processing. This platform is highly multiplexable as the same surface chemistry can be adapted to capture and detect several other pathogens like dengue virus, E. coli, M. Tuberculosis, etc.

Design, realization and characterization of automated millifluidic bioreactors for investigating the molecular evolution of lytic or lysogenic vector phages infecting engineered host e. Coli

In questa tesi viene presentato un bioreattore in grado di mantenere nel tempo condizioni biologiche tali che consentano di massimizzare i cicli di evoluzione molecolare di vettori di clonazione fagici: litico (T7) o lisogeno (M13). Verranno quindi introdtti concetti legati alla Teoria della Quasispecie e alla relazione tra errori di autoreplicazione e pressioni selettive naturali o artificiali su popolazioni di virus: il modello naturale del sistema evolutivo. Tuttavia, mantenere delle popolazioni di virus significa formire loro un substrato dove replicare. Per fare ciò, altri gruppi di ricerca hanno giá sviluppato complessi e costosi prototipi di macchinari per la crescita continua di popolazioni batteriche: i compartimenti dei sistemi evolutivi. Il bioreattore, oggetto di questo lavoro, fa parte del progetto europeo Evoprog: general purpose programmable machine evolution on a chip (Jaramillo’s Lab, University of Warwick) che, utilizzando tecnologie fagiche e regolazioni sintetiche esistenti, sará in grado di produrre funzionalità biocomputazionali di due ordini di grandezza più veloci rispetto alle tecniche convenzionali, riducendo allo stesso tempo i costi complessivi. Il primo prototipo consiste in uno o piú fermentatori, dove viene fatta crescere la cultura batterica in condizioni ottimizzate di coltivazione continua, e in un cellstat, un volume separato, dove avviene solo la replicazione dei virus. Entrambi i volumi sono di pochi millilitri e appropriatamente interconnessi per consentire una sorta di screening continuo delle biomolecole prodotte all’uscita. Nella parte finale verranno presentati i risultati degli esperimenti preliminari, a dimostrazione dell’affidabilità del prototipo costruito e dei protocolli seguiti per la sterilizzazione e l’assemblaggio del bioreattore. Gli esperimenti effettuati dimostrano il successo di due coltivazioni virali continue e una ricombinazione in vivo di batteriofagi litici o lisogeni ingegnerizzati. La tesi si conclude valutando i futuri sviluppi e i limiti del sistema, tenendo in considerazione, in particolare, alcune applicazioni rivolte agli studi di una terapia batteriofagica.

Variational Quantum Splines: Moving Beyond Linearity for Quantum Activation Functions

Activation functions within neural networks play a crucial role in Deep Learning since they allow to learn complex and non-trivial patterns in the data. However, the ability to approximate non-linear functions is a significant limitation when implementing neural networks in a quantum computer to solve typical machine learning tasks. The main burden lies in the unitarity constraint of quantum operators, which forbids non-linearity and poses a considerable obstacle to developing such non-linear functions in a quantum setting. Nevertheless, several attempts have been made to tackle the realization of the quantum activation function in the literature. Recently, the idea of the QSplines has been proposed to approximate a non-linear activation function by implementing the quantum version of the spline functions. Yet, QSplines suffers from various drawbacks. Firstly, the final function estimation requires a post-processing step; thus, the value of the activation function is not available directly as a quantum state. Secondly, QSplines need many error-corrected qubits and a very long quantum circuits to be executed. These constraints do not allow the adoption of the QSplines on near-term quantum devices and limit their generalization capabilities. This thesis aims to overcome these limitations by leveraging hybrid quantum-classical computation. In particular, a few different methods for Variational Quantum Splines are proposed and implemented, to pave the way for the development of complete quantum activation functions and unlock the full potential of quantum neural networks in the field of quantum machine learning.

Dispositivi organ-on-chip per l' ingegnerizzazione di tessuto cardiaco destinato allo screening farmacologico

Negli ultimi anni, nell' ambito dell' ingegneria dei tessuti, ha avuto un rapido aumento la generazione di tessuti cardiaci miniaturizzati, per lo studio della fisiologia cardiaca e delle patologie. In questa tesi, viene analizzato un processo di realizzazione di un dispositivo heart-on-a-chip recentemente pubblicato da Jayne et al. Per il processo di fabbricazione dei dispositivi è stata utilizzata una combinazione di Soft Lithography e Direct Laser Writing (DLW). Quest' ultima, in particolare, ha fornito due importanti caratteristiche ai dispositivi deputati alla semina cellulare: una struttura curva lungo l’ asse verticale e strutture 3D di diverse altezze sullo stesso piano. Tramite DLW sono stati realizzati anche precisi punti di adesione per le cellule staminali pluripotenti indotte, che hanno consentito di controllare la geometria dei tessuti ingegnerizzati. In particolare, oltre al processo di fabbricazione, in questo lavoro vengono anche illustrate le procedure necessarie al fine di calibrare i microsensori utilizzati per monitorare i costrutti. La prima fase della calibrazione si occupa di determinare la responsività meccanica dei sensori di spostamento, mentre la seconda valuta quella dei sensori elettrici, deputati alla conversione di spostamenti in variazioni di resistenza elettrica.

Ultracold Bose-Fermi mixtures with pairing: quantum phase transition, mechanical stability, and trap confinement

Ultracold dilute gases occupy an important role in modern physics and they are employed to verify fundamental quantum theories in most branches of theoretical physics. The scope of this thesis work is the study of Bose-Fermi (BF) mixtures at zero temperature with a tunable pairing between bosons and fermions. The mixtures are treated with diagrammatic quantum many-body methods based on the so-called T-matrix formalism. Starting from the Fermi-polaron limit, I will explore various values of relative concentrations up to mixtures with a majority of bosons, a case barely considered in previous works. An unexpected quantum phase transition is found to occur in a certain range of BF coupling for mixture with a slight majority of bosons. The mechanical stability of mixtures has been analysed, when the boson-fermion interaction is changed from weak to strong values, in the light of experimental results recently obtained for a double-degenerate Bose-Fermi mixture of 23 Na - 40 K. A possible improvement in the description of the boson-boson repulsion based on Popov's theory is proposed. Finally, the effects of a harmonic trapping potential are described, with a comparison with the experimental data for the condensate fraction recently obtained for a trapped 23 Na - 40 K mixture.

Deployment of a data analysis workflow of the ATLAS experiment on HPC systems

LHC experiments produce an enormous amount of data, estimated of the order of a few PetaBytes per year. Data management takes place using the Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) grid infrastructure, both for storage and processing operations. However, in recent years, many more resources are available on High Performance Computing (HPC) farms, which generally have many computing nodes with a high number of processors. Large collaborations are working to use these resources in the most efficient way, compatibly with the constraints imposed by computing models (data distributed on the Grid, authentication, software dependencies, etc.). The aim of this thesis project is to develop a software framework that allows users to process a typical data analysis workflow of the ATLAS experiment on HPC systems. The developed analysis framework shall be deployed on the computing resources of the Open Physics Hub project and on the CINECA Marconi100 cluster, in view of the switch-on of the Leonardo supercomputer, foreseen in 2023.

Quantum phase estimation algorithms

Al contrario dei computer classici, i computer quantistici lavorano tramite le leggi della meccanica quantistica, e pertanto i qubit, ovvero l'unità base di informazione quantistica, possiedono proprietà estremamente interessanti di sovrapposizione ed entanglement. Queste proprietà squisitamente quantistiche sono alla base di innumerevoli algoritmi, i quali sono in molti casi più performanti delle loro controparti classiche. Obiettivo di questo lavoro di tesi è introdurre dal punto di vista teorico la logica computazionale quantistica e di riassumere brevemente una classe di tali algoritmi quantistici, ossia gli algoritmi di Quantum Phase Estimation, il cui scopo è stimare con precisione arbitraria gli autovalori di un dato operatore unitario. Questi algoritmi giocano un ruolo cruciale in vari ambiti della teoria dell'informazione quantistica e pertanto verranno presentati anche i risultati dell'implementazione degli algoritmi discussi sia su un simulatore che su un vero computer quantistico.

Quantum error correction with the IBM quantum experience

Mentre si svolgono operazioni su dei qubit, possono avvenire vari errori, modificando così l’informazione da essi contenuta. La Quantum Error Correction costruisce algoritmi che permettono di tollerare questi errori e proteggere l’informazione che si sta elaborando. Questa tesi si focalizza sui codici a 3 qubit, che possono correggere un errore di tipo bit-flip o un errore di tipo phase-flip. Più precisamente, all’interno di questi algoritmi, l’attenzione è posta sulla procedura di encoding, che punta a proteggere meglio dagli errori l’informazione contenuta da un qubit, e la syndrome measurement, che specifica su quale qubit è avvenuto un errore senza alterare lo stato del sistema. Inoltre, sfruttando la procedura della syndrome measurement, è stata stimata la probabilità di errore di tipo bit-flip e phase-flip su un qubit attraverso l’utilizzo della IBM quantum experience.

Ottimizzazione di metodi numerici e realizzazione di un setup per l'imaging di colture cellulari 3D con tomografia ad impedenza elettrica

Il presente lavoro di tesi presenta la progettazione, realizzazione e applicazione di un setup sperimentale miniaturizzato per la ricostruzione di immagine, con tecnica di Tomografia ad Impedenza Elettrica (EIT). Il lavoro descritto nel presente elaborato costituisce uno studio di fattibilità preliminare per ricostruire la posizione di piccole porzioni di tessuto (ordine di qualche millimetro) o aggregati cellulari dentro uno scaffold in colture tissutali o cellulari 3D. Il setup disegnato incorpora 8 elettrodi verticali disposti alla periferia di una camera di misura circolare del diametro di 10 mm. Il metodo di analisi EIT è stato svolto utilizzando i) elettrodi conduttivi per tutta l’altezza della camera (usati nel modello EIT bidimensionale e quasi-bidimensionale) e ii) elettrodi per deep brain stimulation (conduttivi esclusivamente su un ridotto volume in punta e posti a tre diverse altezze: alto, centro e basso) usati nel modello EIT tridimensionale. Il metodo ad elementi finiti (FEM) è stato utilizzato per la soluzione sia del problema diretto che del problema inverso, con la ricostruzione della mappa di distribuzione della conduttività entro la camera di misura. Gli esperimenti svolti hanno permesso di ricostruire la mappa di distribuzione di conduttività relativa a campioni dell’ordine del millimetro di diametro. Tali dimensioni sono compatibili con quelle dei campioni oggetto di studio in ingegneria tissutale e, anche, con quelle tipiche dei sistemi organ-on-a-chip. Il metodo EIT sviluppato, il prototipo del setup realizzato e la trattazione statistica dei dati sono attualmente in fase di implementazione in collaborazione con il gruppo del Professor David Holder, Dept. Medical Physics and Bioengineering, University College London (UCL), United Kingdom.

Microphysiological systems: Nuove piattaforme di coltura cellulare per applicazioni di interesse biomedico

In questo elaborato verranno presentati le finalità, gli sviluppi e le prospettive future di una tipologia di coltura cellulare, ovvero dei microphysiological systems - MPS (o organs-on-chips), nuovi microdispositivi atti a riprodorre il più fedelmente possibile le condizioni fisiologiche adatte per la crescita e il mantenimento di strutture cellulari complesse. Verranno quindi inizialmente descritte le specifiche di base di questi dispositivi, sottolineandone l'innovatività dal punto di vista tecnologico e funzionale. Grazie agli MPS è infatti stato possibile intraprendere studi per una migliore comprensione del comportamento in condizioni dinamiche di una vasta gamma di tessuti, e la risposta di questi a stimoli chimici e fisici, rappresentativi di condizioni fisiologiche o patologiche, aprendo così le porte a nuovi standard per la sperimentazione clinica. Verrà quindi proposto un caso di studio, che riguarda l'applicazione di quanto sopra all'ambito cardiocircolatorio, prendendo in esame un modello di heart-on-a-chip, descrivendolo in tutte le fasi della sua realizzazione e infine discutendo uno studio riguardante la risposta delle cellule del muscolo cardiaco a un trattamento farmacologico.

Algoritmi quantistici e classi di complessità

Solitamente il concetto di difficoltà è piuttosto soggettivo, ma per un matematico questa parola ha un significato diverso: anche con l’aiuto dei più potenti computer può essere impossibile trovare la soluzione di un sudoku, risolvere l’enigma del commesso viaggiatore o scomporre un numero nei suoi fattori primi; in questo senso le classi di complessità computazionale quantificano il concetto di difficoltà secondo le leggi dell’informatica classica. Una macchina quantistica, però, non segue le leggi classiche e costituisce un nuovo punto di vista in una frontiera della ricerca legata alla risoluzione dei celebri problemi del millennio: gli algoritmi quantistici implementano le proprietà straordinarie e misteriose della teoria dei quanti che, quando applicate lucidamente, danno luogo a risultati sorprendenti.

Diagnosing criticality in symmetric and chiral clock models

Quantum clock models are statistical mechanical spin models which may be regarded as a sort of bridge between the one-dimensional quantum Ising model and the one-dimensional quantum XY model. This thesis aims to provide an exhaustive review of these models using both analytical and numerical techniques. We present some important duality transformations which allow us to recast clock models into different forms, involving for example parafermions and lattice gauge theories. Thus, the notion of topological order enters into the game opening new scenarios for possible applications, like topological quantum computing. The second part of this thesis is devoted to the numerical analysis of clock models. We explore their phase diagram under different setups, with and without chirality, starting with a transverse field and then adding a longitudinal field as well. The most important observables we take into account for diagnosing criticality are the energy gap, the magnetisation, the entanglement entropy and the correlation functions.

Implementazione dell'algoritmo filtered back-projection (FBP) per architetture low-power di tipo systems-on-chip

Il presente lavoro di tesi, svolto presso i laboratori dell'X-ray Imaging Group del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Bologna e all'interno del progetto della V Commissione Scientifica Nazionale dell'INFN, COSA (Computing on SoC Architectures), ha come obiettivo il porting e l’analisi di un codice di ricostruzione tomografica su architetture GPU installate su System-On-Chip low-power, al fine di sviluppare un metodo portatile, economico e relativamente veloce. Dall'analisi computazionale sono state sviluppate tre diverse versioni del porting in CUDA C: nella prima ci si è limitati a trasporre la parte più onerosa del calcolo sulla scheda grafica, nella seconda si sfrutta la velocità del calcolo matriciale propria del coprocessore (facendo coincidere ogni pixel con una singola unità di calcolo parallelo), mentre la terza è un miglioramento della precedente versione ottimizzata ulteriormente. La terza versione è quella definitiva scelta perché è la più performante sia dal punto di vista del tempo di ricostruzione della singola slice sia a livello di risparmio energetico. Il porting sviluppato è stato confrontato con altre due parallelizzazioni in OpenMP ed MPI. Si è studiato quindi, sia su cluster HPC, sia su cluster SoC low-power (utilizzando in particolare la scheda quad-core Tegra K1), l’efficienza di ogni paradigma in funzione della velocità di calcolo e dell’energia impiegata. La soluzione da noi proposta prevede la combinazione del porting in OpenMP e di quello in CUDA C. Tre core CPU vengono riservati per l'esecuzione del codice in OpenMP, il quarto per gestire la GPU usando il porting in CUDA C. Questa doppia parallelizzazione ha la massima efficienza in funzione della potenza e dell’energia, mentre il cluster HPC ha la massima efficienza in velocità di calcolo. Il metodo proposto quindi permetterebbe di sfruttare quasi completamente le potenzialità della CPU e GPU con un costo molto contenuto. Una possibile ottimizzazione futura potrebbe prevedere la ricostruzione di due slice contemporaneamente sulla GPU, raddoppiando circa la velocità totale e sfruttando al meglio l’hardware. Questo studio ha dato risultati molto soddisfacenti, infatti, è possibile con solo tre schede TK1 eguagliare e forse a superare, in seguito, la potenza di calcolo di un server tradizionale con il vantaggio aggiunto di avere un sistema portatile, a basso consumo e costo. Questa ricerca si va a porre nell’ambito del computing come uno tra i primi studi effettivi su architetture SoC low-power e sul loro impiego in ambito scientifico, con risultati molto promettenti.