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.