Project area

Scienze e tecnologie quantistiche (DFM.AD002)

Department

Physical sciences and technologies of matter

The quality

La peculiarità della meccanica quantistica rispetto alla fisica classica è rintracciabile nelle correlazioni quantistiche (entanglement) e nella sovrapposizione di stati. Le tecnologie quantistiche sfruttano le enormi risorse dell'entanglement per realizzare dispositivi (sensori, simulatori, strumenti di comunicazione e computazione, dispositivi e sistemi per criptografia, ecc.) con caratteristiche ineguagliabili da sistemi classici. Lo sviluppo dell'informazione e della computazione quantistica, negli ultimi due decenni, ha posto le premesse dal punto di vista teorico per una nuova rivoluzione quantistica. Differenti sistemi fisici e piattaforme offrono vantaggi complementari. Tra queste una posizione preminente è occupata dagli atomi freddi, dall'ottica quantistica, mentre sistemi quantici nano- e meso-strutturati trovano implementazione nello stato solido (semiconduttori o superconduttori), oppure in molecole magnetiche ed impurezze di spin. In parallelo, sistemi puramente fotonici hanno la capacità di generare e manipolare in modo estremamente ben controllato gli stati quantistici che sono alla base di molti dei protocolli di informazione, comunicazione e metrologia quantistica. Importanti progressi sono stati fatti negli ultimi decenni nei protocolli di lettura e codifica di qubit in diversi sistemi a stato solido e le basi sono state poste per la realizzazione di memorie e processori quantistici più evoluti. Le scienze e tecnologie quantistiche sono oggi considerate non solo di grande rilevanza nell'ambito della ricerca fisica di base, ma anche molto promettenti da un punto di vista applicativo, tanto che alcuni Paesi vi dedicano importanti piani di finanziamento. Inoltre il settore è stato incluso nei documenti strategici di alcune piattaforme tecnologiche europee (per esempio Photonics21).

Goals

L'area progettuale si propone di sviluppare l'intera filiera per lo studio di base dei processi fino alla progettazione e realizzazione di dispositivi operanti in regime quantistico e alla loro applicazione principalmente nei campi dell'informazione quantistica, della crittografia, della metrologia, e nuove frontiere quali la quantum biology e il quantum sensing.
I gas atomici consentono di sviluppare sensori quantistici basati sull'entanglement mediante interferometria atomica, con la potenzialità di misurare campi gravitazionali, elettrici, magnetici, etc, con elevata sensibilità e risoluzione spaziale.
Lo studio di fenomeni di fluidodinamica e ottica quantica in condensati di polaritoni consente di osservare nuovi fenomeni in condensati di Bose-Einstein e di realizzare dispositivi funzionanti solo per mezzo di segnali luminosi, polaritonici e superfluidi.
Con l'eccezione di alcuni dimeri esotici di metalli alcalini, le molecole sono ancora escluse dalle tecnologie quantistiche ma hanno enormi potenzialità e le tecnologie fotoniche sono mature per il loro controllo.
In ottica quantistica, verranno messi a punto nuovi schemi per la generazione di stati di campo altamente non classici attraverso processi gaussiani, come lo squeezing, o altamente non gaussiani come l'aggiunta e la sottrazione di singoli fotoni da stati arbitrari.
Per i dispositivi, verranno esplorate le potenzialità dei materiali superconduttivi per rivelatori a nanofili e dei circuiti ottici integrati in guida d'onda e verrà perseguita la completa integrazione di tali circuiti con sorgenti e rivelatori. Verranno studiati dispositivi superconduttori ad interferenza quantistica per lo studio dei fermioni di Majorana e i quantum spin Hall states, nonché fenomeni di ottica quantistica. Laser etero-strutturati a semiconduttore ad impulsi ultracorti a frequenze THz saranno realizzati per il controllo coerente di sistemi quantistici di potenziale interesse per quantum computing.

Outline of research in an international context

Uno dei principali trend nell'ambito delle scienze e tecnologie quantistiche riguarda l'utilizzo dei fotoni come qubit e la realizzazione di circuiti ottici integrati con caratteristiche adeguate sia per applicazioni di informazione quantistica, quantum computing e comunicazioni quantistiche, sia per la simulazione di fenomeni quantistici. I fotoni presentano infatti caratteristiche interessanti come qubit in quanto possono essere codificati in diversi modi (polarizzazione, cammino ottico, fase). Diverse le piattaforme utilizzate (materiali semiconduttori, spin molecolari o atomici, impurezze in diamanti). Molti i laboratori di eccellenza fra cui i spiccano Bristol, Southampton, Vienna e Oxford.
Le attività di ricerca con atomi freddi sono incentrate sulla fisica di base e su applicazioni nel campo delle tecnologie quantistiche basate sull'entanglement. Negli ultimi anni particolare attenzione è stata dedicata alle proprietà fuori equilibrio e alla dinamica quantistica di sistemi a molti corpi. Le impurezze in sistemi a molti corpi e i sistemi disordinati vengono investigati, così come le proprietà di trasporto e le configurazioni a bassa dimensionalità, la superfluidità fermionica, sia in regime BCS, sia in regimi più esotici per i quali sono in via di costruzione apparati con miscele di atomi di diversa specie atomica, con punte di eccellenza a Monaco, Innsbruck, Parigi. Per superare uno dei limiti intrinseci degli atomi freddi numerosi esperimenti perseguono la creazione di molecole polari ultrafredde e recentemente anche di atomi di Rydberg. Per i dimeri alcalini è all'avanguardia il JILA, Colorado, mentre nessuno ha ancora esteso il regime quantistico a molecole presenti in natura. Infine, l'utilizzo degli atomi freddi nelle tecnologie quantistiche prosegue sia nello sviluppo di sensori di forze e rotazioni basati sull'interferometria atomica, sia nello sviluppo di orologi in reticoli ottici. Molto lavoro viene svolto a Heidelberg e a Firenze.

Outline of research in a national context

L'Italia è da sempre uno dei nodi di eccellenza nell'ambito dell'ottica quantistica sia all'interno del mondo universitario che nel CNR. Oltre agli studi dei fenomeni quantistici dal punto di vista dei processi fisici, la comunità nazionale è molto attiva anche nel settore dei dispositivi, con una riconosciuta leadership a livello int.le sia per quanto riguarda lo sviluppo di rivelatori a singolo fotone in materiali superconduttivi sia per quanto riguarda la progettazione e realizzazione di circuiti ottici quantistici integrati e di dispositivi a semiconduttore operanti nel THz. Anche a livello nazionale sta crescendo l'attività nel settore dell'ottica quantistica integrata e dell'integrazione dei circuiti quantistici fotonici all'interno di chip microfluidici per applicazioni future di quantum sensing. Attività teoriche avanzate sono diffuse in diverse sedi sia universitarie che CNR, mentre attività sperimentali su sistemi a stato solido sono concentrate nei laboratori dove esistono facilities per la nanofabbricazione e il controllo di sistemi molecolari/atomici.
In Italia le ricerche nel campo degli atomi freddi sperimentali sono sviluppate a Firenze, a Trento e a Pisa, attraverso la collaborazione tra CNR e Università, e presso l'INRIM. A Firenze è attiva la ricerca nel campo dei modelli topologici, delle impurezze, della superfluidità fermionica, del disordine e dell'interferometria atomica. Recentemente sono iniziati, primi in Italia, esperimenti su molecole fredde e con ioni intrappolati. A Napoli è attiva una linea di ricerca per lo sviluppo ed applicazioni di micro e nano dispositivi superconduttori ad interferenza quantistica. A Trento sono attive alcune linee di ricerca su superfluidità bosonica e transizioni di fase, generazione di difetti in transizioni fuori equilibrio (Kibble-Zurek) e per la creazione di molecole fredde. Molto più numerosi sono invece i gruppi teorici la cui attività interessa anche la fisica degli atomi freddi (Pisa, IOM-CNR, Sissa).

Positioning of Cnr

Il CNR ha un ottimo posizionamento nell'ambito delle scienze e tecnologie quantistiche a livello nazionale e internazionale, soprattutto grazie alle eccellenti competenze presenti all'interno del DSFTM. In particolare il Dipartimento dispone di ampie competenze multidisciplinari dalla fisica dello stato solido alla fisica dei gas atomici, dei fotoni e polaritoni, che gli conferiscono un ruolo di protagonista nello sviluppo di tecnologie totalmente innovative nell'ambito della manipolazione e trasferimento dell'informazione. Tra le linee più significative si segnala la produzione di condensati di Bose-Einstein, sia in gas atomici che in semiconduttori, la realizzazione di radiazione non classica e di schemi di trasferimento dell'informazione in criptografia quantistica, nonché l'affinamento di dispositivi spintronici, plasmonici e superconduttivi basati sull'effetto Josephson e lo studio della coerenza di qubit superconduttivi. A queste si aggiunge lo sviluppo e realizzazione di guide d'onda nano- e microfabbricate realizzate in varie classi di materiali, ed il loro impiego all'interno di circuiti ottici integrati per applicazioni quantistiche, e la realizzazione di sorgenti e rivelatori a singolo fotone e/o ad elevata purezza spettrale nel THz. Sono presenti competenze teoriche e sperimentali che guidano progetti Europei pionieristici per la codifica di qubits con spin molecolari. Nell'ambito di questi progetti sono stati sviluppati schemi per l'implementazione della computazione quantistica, basati sulla codifica del qubit nello stato di nanomagneti a basso spin. Inoltre, si è sviluppata una comprensione microscopica dei principali processi di decoerenza, e si è dimostrata la possibilità di estendere i tempi di decoerenza attraverso opportuni processi di sostituzione chimica.

The main activities performed

Sui dispositivi il DSFTM è attivo nello sviluppo di rivelatori a nanofilo superconduttivi per singoli fotoni (SNSPD) nella regione del vicino infrarosso e/o basati su nanofili a semiconduttore nella regione del Terahertz con prestazioni assolutamente eccellenti per applicazioni di informazione e crittografia quantistiche, nonché per la metrologia quantistica oltre i limiti classici. Vengono progettati dispositivi superconduttori ad interferenza quantistica su scala micro e nanometrica e realizzati circuiti ottici integrati in guida d'onda per applicazioni quantistiche e per simulazione di fenomeni quantistici sfruttando le tecnologie altamente innovative della "scrittura" diretta delle guide in materiali trasparenti mediante impulsi laser a femtosecondi e dell'elettrofilatura di polimeri e nanocompositi (tecnologie estremamente versatili che consentono la fabbricazione di strutture complesse in geometria tridimensionale). Sono particolarmente attive al CNR le ricerche sulla generazione di stati non classici di radiazione, e sulla loro manipolazione e rivelazione con lo sviluppo di tecnologie innovative e di grande interesse applicativo, per future interfacce tra sistemi diversi di codifica dell'informazione quantistica. Sul fronte delle sorgenti di luce coerente con proprietà quantistiche, sono in corso studi di caratterizzazione del rumore di frequenza dei laser a cascata quantica (nel medio e lontano infrarosso). Sono stati ottenuti risultati significativi nello studio di entanglement di spin in sistemi molecolari e nella progettazione e realizzazione di dispositivi quantistici spintronici. In particolare, è stato dimostrato sperimentalmente l'entanglement tra diverse molecole magnetiche, il cui accoppiamento era stato opportunamente ingegnerizzato. Si è dimostrata la natura fortemente non-classica dello stato fondamentale di tali sistemi, e la possibilità di rilevare entanglement bi- e multi-partito attraverso tecniche sperimentali attualmente disponibili.

The planned activities

Per i circuiti ottici integrati verrà sfruttata la versatilità della scrittura diretta con laser a femtosecondi per realizzare strutture sempre più complesse ed integrare le guide d'onda in chip microfluidici. Verrà esplorata la realizzazione di circuiti fotonici per applicazioni quantistiche in polimeri e nanocompositi, materiali non lineari come il niobato di litio e il diamante. Verrà perseguita la completa integrazione dei circuiti in guida d'onda con sorgenti e rivelatori a singolo fotone.
Si studieranno stati entangled ibridi che permetteranno di realizzare nuove interfacce tra codifiche dell'informazione quantistica in variabili discrete e continue. Si realizzeranno stati in cui l'informazione può essere codificata e manipolata su nuovi gradi di libertà, quali il modo spettro-temporale.
Proseguiranno gli studi sul rumore di frequenza dei laser a cascata quantica e saranno perseguiti studi di ingegnerizzazione quantistica di micro-LASER a cascata quantica operanti in regime di impulsi ultra-brevi nel THz finalizzati all'incremento della temperatura di funzionamento e dell'efficienza quantica. Si esploreranno nuove frontiere come la quantum biology.
Si svilupperanno architetture ibride costituite da risonatori a superconduttore e spin molecolari. Verrano indagati, tramite SQUIDs, i fermioni di Majorana per applicazioni nella computazione quantistica topologica. Verrà esplorato l'accoppiamento dei modi del risonatore con gradi di libertà di spin protetti dalla decoerenza, identificabili all'interno di opportuni spin cluster ed accoppiabili alla componente elettrica del campo quantistico. Si utilizzerà il campo magnetico esterno per controllare l'accoppiamento tra spin e fotoni senza compromettere il fattore di qualità dei risonatori di YBCO. Dispositivi quantici costituiti da nanostrutture di grafene e spin molecolari verranno utilizzati per la codifica e la memorizzazione di qubits. Si svilupperà il raffreddamento simpatetico di molecole polari.

Thematic area

Physical sciences and technologies of matter

Keywords

informazione quantistica, ottica quantistica, comunicazioni quantistiche, quantum computing, quantum sensing,, metrologia quantistica, qubit, SQUID, entanglement, Laser a cascata quantica, sorgenti a singolo fotone,, rivelatori a singolo fotone, guide d'onda, atomi freddi, molecole fredde, condensati di Bose Einstein

Projects

Last update: 21/07/2024