M. Borghesi, M. Faverzani, E. Ferri, A.Giachero, A. Nucciotti

L’obiettivo di DartWars è lo sviluppo di amplificatori parametrici superconduttivi “traveling wave” (letteralmente, a onda viaggiante), anche noti come TWPA. Gli amplificatori parametrici superconduttivi permettono di raggiungere il limite quantistico del rumore aggiunto e sono indicati sia come amplificatori per rivelatori a bassissima temperatura per la fisica delle astro-particelle che come amplificatori per la lettura ad alta fedeltà di qubit superconduttivi. Nell’ambito di DartWars vengono sviluppati due tipi di amplificatori parametrici: i KI-TWPA sfruttano la non-linearità dell’induttanza cinetica (Kinetic Inductance, KI) di alcuni superconduttori e i TWJPA basati sulla non-linearità di metamateriali ottenuti mediante serie di giunzioni Josephson. Con questi TWPA si cerca di realizzare un amplificatore parametrico a larga banda (4-8GHz) e alto guadagno (20dB).

DartWars è una collaborazione internazionale guidata da Milano-Bicocca ed è finanziato dalla Commissione Nazionale 5 dell’INFN e dalla Comunità Europea (MSCA-IF-2020).

Nell’ambito di DartWars il gruppo di Milano-Bicocca si occupa della progettazione dei dispositivi e della loro caratterizzazione a bassa temperatura utilizzando le facility del Laboratorio di Criogenia.

M. Borghesi, P. Carniti, M. Faverzani, E. Ferri, A.Giachero, A. Nucciotti

La capacità acquisita recentemente di manipolare e misurare singoli quanti come fotoni a microonde, fononi e magnoni sta aprendo nuove prospettive nella rivelazione della Materia Oscura e della Quinta Forza, nei test della Gravitazione Quantistica e della Meccanica Quantistica di oggetti macroscopici. I qubit superconduttivi sono divenuti un tassello importante di questi recenti progressi. Questo è stato possibile grazie alla capacità di ingegnerizzare e fabbricare dispositivi superconduttivi nanostrutturati che mostrano comportamento quantistico macroscopico analogo a quello di atomi artificiali a 2 livelli (qubit) e grazie alla possibilità di manipolare lo stato del qubit con campi elettromagnetici classici.

Negli ultimi 15 anni il Quantum Sensing con qubit superconduttivi ha iniziato ad essere applicato con successo negli esperimenti di Fisica fondamentale. 

Qub-IT è un progetto finanziato dalla Commissione Nazionale 5 dell’INFN che ha lo scopo di sviluppare qubit superconduttivi finalizzati alla ricerca della materia oscura assionica. 

L’idea di Qub-IT è di sfruttare la sovrapposizione e l’entanglement quantistici in array di qubit superconduttivi (transmoni) per effettuare misure sensibilissime di tipo Quantum-Non-Demolition (QND) di fotoni singoli e itineranti nel campo delle microonde prodotti dall’interazione di assioni o dark-photons con campi elettromagnetici.

Nell’ambito di Qub-IT il gruppo di Milano-Bicocca si occupa della progettazione dei qubit e della loro caratterizzazione a bassa temperatura presso il Laboratorio di Criogenia, oltre che del sistema di lettura dispersiva e di controllo coerente. In collaborazione con il Dipartimento di Scienze dei Materiali sono allo studio anche nuovi materiali e nuove tecniche di deposizione per migliorare la qualità dei dispositivi.

L. Gironi, I. Nutini

Recenti studi hanno dimostrato che la radioattività ha effetti dannosi sui processori quantistici superconduttori essendo responsabile dell'induzione di errori correlati tra i qubit oltre alla riduzione del loro tempo di coerenza [1,2]. Manca ancora tuttavia una piena comprensione di questo fenomeno e una corrispondente ottimizzazione dei dispositivi quantistici.

L'obiettivo del progetto di ricerca è quello di eseguire una caratterizzazione dal punto di vista radioattivo dei materiali utilizzati per la realizzazione dei qubit superconduttori e del loro ambiente circostante. Ciò consentirà di definire i criteri per la selezione, pulizia e trattamento dei materiali utilizzati per la realizzazione di processori quantistici superconduttori.

Aggiorneremo inoltre anche il design dei qubit attraverso l'uso di film sottili che possono fungere da trappole di fononi, proteggendo i qubit e quindi migliorando la loro coerenza.

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2619-8

[2] https://www.nature.com/articles/s41467-021-23032-z

A.Giachero, P. Govoni

Mentre i calcolatori quantistici non sono ancora utilizzabili su larga scala per via del loro numero e delle capacità di calcolo ancora criticamente dipendenti dalla tecnologia disponibile, lo sviluppo di algoritmi di machine learning quantistici (Quantum Machine Learning, QML) è già in corso. Nel Dipartimento di Fisica “G. Occhialini” studiamo le prestazioni di questi algoritmi in casi esemplificativi di analisi dati.

Per ogni casistica viene effettuato un raffronto delle prestazioni con il corrispettivo algoritmo classico per valutare le prestazioni in termini ad esempio di precisione, accuratezza e sensibilità, in modo da valutare in quali applicazioni gli algoritmi QML sono più efficaci rispetto al corrispettivo classico. Particolare attenzione deve essere posta alla preparazione dei dati, in modo da comprendere quali sono le proprietà che maggiormente influenzano le prestazioni degli algoritmi QML. Esempi di applicazione del QML comprendono la ricostruzione di eventi in rivelatori di particelle di largo volume e la discriminazione di eventi di segnale/background in esperimenti di fisica delle particelle. Tuttavia lo spettro di applicazione è vasto e altri esempi potrebbero essere l'identificazione delle fasi e delle transizioni di fase in varie Hamiltoniane di fisica della materia condensata o la classificazione delle immagini mediche come nell’identificazione del cancro al seno nelle mammografie di screening. 

M. Borghesi, M. Faverzani, E. Ferri, A.Giachero, A. Nucciotti

La rivelazione ad alta efficienza di singoli fotoni nel range IR/ottico è di fondamentale importanza per applicazioni di comunicazione e metrologia quantistica. In particolare le applicazioni quantistiche richiedono anche un basso tasso di conteggi di buio e la capacità di risolvere il numero di fotoni che colpiscono il singolo rivelatore. La rivelazione di singoli fotoni, data l’esiguità delle energie in gioco, richiede tecniche all’avanguardia, che consentano di distinguere il flebile segnale prodotto dal rivelatore dal rumore caratteristico del sistema di lettura garantendo al contempo le altre caratteristiche richieste. Il gruppo di Milano-Bicocca sviluppa rivelatori di fotoni che impiegano materiali superconduttivi, nei quali viene monitorata un’eventuale variazione della densità di quasi-particelle conseguente a un’interazione. Tale alterazione viene misurata con due tipi di sensori superconduttivi che operano a bassissima temperatura: i Transition Edge Sensors (TES) o i Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKID). Queste due tecniche di rivelazione non solo consentono di rivelare singole interazioni dei fotoni di bassissima energia con risoluzioni energetiche dell’ordine di qualche decimo di eV, ma permettono di realizzare array di decine di rivelatori con lettura multiplexata nelle microonde (come per l’esperimento HOLMES). 

Il gruppo di Milano-Bicocca, in collaborazione con FBK e con INRIM, progetta, realizza e caratterizza a bassa temperature questi sensori e sviluppa, anche in collaborazione con NIST, l’elettronica per la lettura multiplexata. L’attività si svolge nel Laboratorio di Criogenia.

A. Baschirotto, M. De Matteis, V. Vadalà, E. A. Vallicelli

I computer quantistici realistici dovranno integrare in un unico processore milioni di qubit ed i circuiti elettronici per controllare/leggere i loro valori. I qubit a stato solido fabbricati in CMOS ultra-scalati consentono l'integrazione su larga scala di milioni di qubit su un singolo chip. L'attività di ricerca del gruppo è focalizzata principalmente sullo sviluppo di circuiti elettronici affidabili che operino a microonde e a temperature criogeniche, utilizzando la tecnologia FinFET a 16 nm. Grazie alla sua proprietà di scalabilità e integrazione, la tecnologia FinFET è l'opzione più promettente per incorporare, in futuro, sia il qubit che i suoi circuiti di controllo/lettura su un unico chip criogenico operante a pochi K.
I principali temi di ricerca sono legati alla caratterizzazione e modellazione di FinFET a 16 nm a frequenze delle microonde (fino a decine di GHz) e a temperature criogeniche (pochi kelvin), includendo in essi i fenomeni fisici che compaiono a tali temperature, come effetto freeze-out, aumento della tensione di soglia, allargamento del bandgap o l’aumento della mobilità, fenomeni che in genere non sono inclusi nei modelli compatti standard. L'attività di ricerca è inoltre orientata alla progettazione dei circuiti integrati per la lettura dei qubit, utilizzando i modelli avanzati sviluppati. L’attività di progettazione è focalizzata principalmente sulla progettazione di un amplificatore a basso rumore, che rappresenta il blocco più importante e più critico dell’intera catena di lettura del qubit.

Referenti: Andrea Giachero, Matteo Borghesi, Marco Faverzani, Elena Ferri, Angelo Nucciotti, Danilo Labranca, Luca Origo

Molte applicazioni nei campi delle tecnologie quantistiche e dei rivelatori criogenici per la fisica delle particelle si basano sulla rivelazione di segnali estremamente deboli nel dominio delle microonde. Tali applicazioni necessitano di sistemi di lettura caratterizzati da un’alta sensibilità ed alte prestazioni. DARTWARS (Detector Array Readout with Traveling Wave AmplifieRS, https://dartwars.unimib.it/) è un progetto finanziato dall’Istituto Italiano di Fisica Nucleare e dall’Unione Europea, con l’obiettivo di progettare e sviluppare amplificatori parametrici innovativi caratterizzati da larga banda e ampio guadagno e capaci di operare con una sensibilità limitata soltanto dal principio di indeterminazione di Heisenberg, raggiungendo il cosiddetto limite di rumore quantistico. Un sistema di lettura con queste caratteristiche significa un notevole passo avanti nella tecniche di multiplexing a microonde che permette la lettura di centinaia di qubit, andando oltre la supremazia quantistica, e di migliaia di rivelatori criogenici quali Transition Edge Sensor (TESs) e Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs). 
In questo contesto, lo studente, una volta acquisiti i concetti base della superconduttività e dell’amplificazione parametrica, collaborerà alla progettazione degli amplificatori parametrici, alla loro produzione, al progetto e messa in opera del sistema criogenico necessario alla loro caratterizzazione e al loro eventuale utilizzo per la lettura di matrici di qubit e rivelatori criogenici. Gli amplificatori realizzati verranno inoltre studiati come possibili generatori di stati quantistici “squeezed”, stati che, grazie alle loro particolari caratteristiche intrinseche, permettono di controllare il rumore al di sotto del limite quantistico (sub-shot-noise) con il conseguente aumento della sensibilità di misura in diverse possibili applicazioni tra cui: la ricerca delle onde gravitazionali, la misurazione della materia oscura leggera (assioni), la lettura di qubit, il quantum computing e la comunicazione quantistica. Il lavoro di tesi proposto permetterà di collaborare anche con diversi istituti nazionali internazionali coinvolti nel progetto, tra cui il Quantum Sensors Group del National Institute of Standards and Technology (NIST, Boulder, CO, USA), leader mondiale nello sviluppo di dispositivi quantistici e superconduttivi, l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) di Torino, e la Fondazione Bruno Kessler di Trento.

Referenti: Andrea Giachero, Matteo Borghesi, Marco Faverzani, Elena Ferri, Angelo Nucciotti, Danilo Labranca, Luca Origo

L’innovativo centro di ricerca Superconducting Quantum Materials and Systems Center (SQMS), con sede al Fermilab, ha come obiettivo lo sviluppo un computer quantistico con prestazioni mai raggiunte finora basato su tecnologie superconduttive. Il centro svilupperà anche nuovi sensori quantistici con importanti applicazioni in fisica fondamentale, in particolare nella ricerca sulla materia oscura e altre particelle esotiche. l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) collabora al progetto come unico partner non statunitense. In particolare l’INFN si occuperà dello sviluppo di un sistema criogenico di test e caratterizzazione, presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), ottimizzato per studiare come la radioattività ambientale possa influenzare il comportamento e le prestazione dei qubit. In questo contesto le tesi magistrali disponibili sono:

• Progetto e Caratterizzazione di una linea di lettura per qubits in ambiente criogenico
  Lo studente si occuperà in prima persona del progetto e sviluppo e messa in opera di un sistema di lettura basso rumore in banda RF per la lettura e controllo di singoli o matrici di qubit. Lo studente collaborerà inoltre ai test di validazione del sistema e alle misure di caratterizzazione di microrisonatori superconduttivi e qubit letti attraverso questi. L’obiettivo è lo studio della risposta dei dispositivi in funzione dei differenti metodi che verranno implementati per minimizzare l’impatto della radiazione, come la pulizia chimica dei materiali, l’installazione di piccole schermature di piombo, la misura dei prototipi in un criostato schermato dai raggi cosmici dalla montagna del Gran Sasso.
• Studio simulazione dei contributi radioattivi in un qubit superconduttivo
  Recenti studi hanno dimostrato come le radiazioni ionizzanti possano andare a peggiorare le prestazioni e la risposta dei qubit superconduttivi. Lo studente si occuperà in prima persona dello studio delle principali sorgenti di radioattività ambientale che possono generare radiazione ionizzante che può interagire con i qubit. Tali studi verranno effettuati attraverso simulazioni Monte Carlo sfruttando la piattaforma di simulazione di interazione particelle-materia GEANT4, i risultati ottenuti saranno fondamentali per la progettazione di  qubit dove l’impatto della radiazione è limitato. 

Entrambi i lavori di tesi saranno svolti in collaborazione con i Laboratori Nazionali del Gran Sasso e la Sezione INFN di Roma1 della Sapienza Università di Roma e il Fermilab di Chicago (USA). All’interno di queste collaborazioni sono previsti periodi di lavoro presso i laboratori del Gran Sasso e della sezione Roma1.

Referenti: Andrea Giachero, Matteo Borghesi, Marco Faverzani, Elena Ferri, Angelo Nucciotti, Danilo Labranca, Luca Origo

QubIT è un progetto finanziato dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) il cui obiettivo è lo sviluppo di matrici di qubit superconduttivi per applicazioni nella computazione quantistica e nella rivelazione nell’ambito delle particelle elementari. L’unità di informazione su cui si basa la computazione quantistica è denominata bit quantistico (qubit), il cui comportamento è regolato dalle leggi della meccanica quantistica. I qubit superconduttivi sono implementati come circuiti quantomeccanici basati su giunzioni Josephson. I transmon sono una particolare tipologia di qubit superconduttori caratterizzati da un basso rumore ed un lungo tempo di coerenza quantistica. Il mantenimento di una lunga coerenza quantistica è un requisito importante ai fini della computazione pratica, in quanto mantenere la stabilità della sovrapposizione quantistica  sia in in fase che in ampiezza è un requisito fondamentale. In fisica delle particelle qubit di tipo transmon possono essere utilizzati per rivelare ipotetiche particelle elementari dette assioni, la cui scoperta potrebbe spiegare l’assenza di violazione della simmetria CP nell'interazione forte e la natura della materia oscura, problemi centrali della fisica delle particelle e della cosmologia moderna. In presenza di un campo magnetico l’assione può generare un fotone all’interno di una cavità a microonde 3D; fotone che può essere misurato da un transmon attraverso una misura definita come “quantum nondemolition” (QND), in cui cioè il fotone non viene distrutto nel processo di misura ma anzi può essere misurato ripetutamente per ridurre la probabilità di errore. Dal punto di vista della computazione quantistica l’accoppiamento di un qubit superconduttore ad un risonatore 3D consente di ottenere tempi di coerenza ordini di grandezza superiori rispetto all’approccio standard. Tempi di coerenza più lunghi offrono prestazioni più elevate e una maggiore fedeltà delle operazioni quantistiche, il che è estremamente importante in particolare per il calcolo quantistico.

• Progettazione e sviluppo di qubit trasmon per computazione quantistica e rivelazione di assioni
  Lo studente, una volta acquisiti i concetti base della superconduttività, della teoria delle microonde e del funzionamento dei qubit, collaborerà alla progettazione e simulazione di matrici di qubit di tipo transmon utilizzando sistemi di progettazione e sviluppo commerciali (QMS, qiskit-metal, Ansys, Sonnet) o sviluppati dallo studente stesso (in Python o Julia). Lo studente approfondirà lo sviluppo di qubit accoppiati a risonatori, con la finalità di rivelare materia oscura (assioni). Il design dei chip consiste nel tuning dei parametri dei qubit, dei risonatori e degli accoppiamenti tra i vari componenti per ottenere  le caratteristiche desiderate per l’Hamiltoniana. Sarà possibile studiare come le caratteristiche proprie degli elementi non lineari (Giunzioni Josephson) influenzano i parametri dell’Hamiltoniana del sistema tramite i software di simulazione. Una volta sviluppato un design  definitivo, il chip comprensivo di tutti gli elementi potrà essere prodotto e successivamente caratterizzato in laboratorio. Durante il lavoro di tesi sarà possibile partecipare anche alla produzione dei dispositivi e, eventualmente, alle diverse fasi di caratterizzazione in ambiente criogenico. Il lavoro di tesi proposto sarà svolto in collaborazione con il Quantum Processing Group del National Institute of Standards and Technology (NIST, Boulder, CO, USA), con i con i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, con l’Università degli Studi di Firenze e con la Fondazione Bruno Kessler di Trento e saranno previsti periodi di lavoro presso le loro sedi.
• Sviluppo di un sistema di acquisizione ed analisi dati a  tempo reale in ambiente RFSoC di Xilinx
  Diversi ambiti della ricerca necessitano l’utilizzo di sistemi di multiplexing e acquisizione dati nel dominio delle microonde caratterizzati da un’alta velocità e un’ampia banda di frequenza. Questi comprendono la lettura di matrici di rivelatori criogenici, con applicazioni nell’ambito della fisica delle particelle, di antenne per segnali in radiofrequenza, nell’ambito dell’astrofisica, sino ad arrivare alla lettura di matrici di qubit, nell’ambito della computazione quantistica. Una valida possibilità per sviluppare questi sistemi con le caratteristiche richieste è l’utilizzo di logiche programmabili della famiglia di RFSoC Zynq® UltraScale+™ di Xilinx, progettate per applicazioni wireless 5G. Tali sistemi mettono a disposizione diversi ADC a 12 bit da 4 GSPS e diversi DAC a 14 bit da 6.4 GSPS abbinati ad una logica programmabile con 930.000 celle logiche e oltre 4200 slice DSP, che permettono lo sviluppo di algoritmi per il filtraggio, demodulazione e analisi dei dati in tempo reale con un minimo supporto da parte di un calcolatore remoto. Lo studente, una volta presa dimestichezza con l’hardware e con l'ambiente di sviluppo (supportato dal linguaggio di programmazione python) dovrà implementare, caratterizzare e validare un sistema di acquisizione basato su tecniche di multiplexing Software-defined radio(SDR)/supereterodina in grado di leggere matrici di rivelatori criogenici accoppiati a microrisonatori superconduttivi. Lo studente inoltre potrà implementare e validare algoritmi di trigger, filtraggio ed analisi sui segnali acquisiti, normalmente applicati off-line, direttamente sulla logica programmabile, andando ad ottimizzare la catena di acquisizione ed analisi dati. Eventualmente sarà possibile implementare tecniche di classificazione dei segnali basati su algoritmi di decomposizione ai valori singolari e reti neurali. Tale sistema sarà poi eventualmente utilizzato per leggere singoli qubit o matrici di questi e per la caratterizzazione di amplificatori parametrici a rumore quantico. Lo studente nel corso del suo lavoro di tesi avrà la possibilità di collaborare con istituti italiani quali i Laboratori Nazionali di Frascati e l’Università di Milano e esteri quali l’Università di Princeton e l’istituto olandese Nikhef.

Per ulteriori informazioni potete contattare il referente di Tecnologie Quantistiche, Prof. Angelo Nucciotti (angelo.nucciotti@unimib.it).