
Sviluppi sperimentali delle tecnologie quantistiche
L'attività di ricerca nell’ambito delle tecnologie quantistiche e dell’ottica quantistica si focalizza sullo sviluppo di stati di luce non-classici (sorgenti a singolo fotone o produzione di coppie di fotoni entangled) e sullo sviluppo di sistemi avanzati per la crittografia quantistica, trapping di singoli atomi per lo sviluppo di chip quantistici e l'entanglement fotonico per telecom e microscopia, e infine sullo sviluppo di sistemi per la sensoristica quantistica. Vengono studiate tecnologie quantistiche per migliorare la sicurezza delle comunicazioni quantistiche tramite QKD sfruttando le proprietà dei fotoni entangled multidimensionali. Vengono sviluppate tecniche di trapping di array di singoli atomi per creare piattaforme scalabili per il calcolo quantistico. L'entanglement dei fotoni è investigato per lo scambio quantistico con array di singoli atomi eccitati e per sviluppare nuove forme di imaging quantistico.
Staff
Professoresse e Professori di I fascia:Giovanni Mattei, Filippo Romanato
Professoresse e Professori di II fascia: Marco Bazzan, Caterina Braggio, Tiziana Cesca
Ricercatrici e Ricercatori: Carmelo Mordini, Gianluca Ruffato
Personale tecnico: Nicola Argiolas, Luca Bacci, Carlo Scian
Assegniste/i e Borsiste/i
Stefano Bertoldo
Attività di ricerca
Sviluppo di sorgenti di luce quantistica
Crittografia quantistica e comunicazione quantistica richiedono lo sviluppo di nuove tecnologie per codificare on-demand il qubit, ad esempio, nello stato di polarizzazione di un fotone e nella possibilità di ottenere particolari stati quantistici della luce come coppie di fotoni entangled. Tale richiesta viene affrontata tramite lo sviluppo da un lato di sorgenti a singolo fotone nel visibile o nel vicino infrarosso per le telecomunicazioni quantistiche in fibra, utilizzando ad esempio emettitori quantistici accoppiati a materiali a cambiamento di fase; dall’altro generando coppie di fotoni entangled attraverso l’ingegnerizzazione delle proprietà ottiche nonlineari di metasuperfici dielettriche in grado di convertire un fotone in ingresso in due fotoni meno energetici ma entangled.
Tra i temi studiati:
- Sorgenti a singolo fotone per telecomunicazioni quantistiche
- Spontaneous parametric down-conversion in metasuperfici dielettriche
Contatti: Tiziana Cesca, Giovanni Mattei
Sito web: https://materia.dfa.unipd.it/nsg/
Realizzazione di un apparato sperimentale a ioni intrappolati
È in fase di realizzazione un nuovo apparato sperimentale dedicato all’intrappolamento e al controllo di ioni di Bario, una specie atomica di crescente interesse nell’ambito delle tecnologie quantistiche. L’esperimento punta ad ottenere il controllo coerente dello stato elettronico e di moto di una stringa di ioni intrappolati, da usare come piattaforma per simulazioni e computazioni quantistiche. I principali ambiti di ricerca tecnologica riguardano il design e la realizzazione della trappola per ioni tramite microfabricazione del vetro, l’uso di tecnologie criogeniche nell’apparato sperimentale, e l’uso di fotonica integrate per la gestione della luce laser e il controllo degli ioni.
Contatti: Carmelo Mordini
Controllo di sistemi multilivello (qudit) con tecnologie fotoniche
La struttura complessa degli stati elettronici di atomi e ioni intrappolati consente di estendere gli attuali paradigmi di computazione quantistica, passando dal controllo di due livelli – qubit – a schemi multilivello detti qudit. Nel nostro gruppo esploriamo nuovi metodi di controlli di qudit atomici, resi possibili dall’uso di tecnologie fotoniche e metamateriali ottici. Questa area di ricerca è sviluppata in collaborazione con il gruppo sperimentale di Metasuperfici (prof. Romanato) e con il gruppo teorico Quantum Matter and Information (prof. Montangero).
Contatti: Carmelo Mordini
Trasmissione QKD di stati multidimensionali e multi-fotoni
I protocolli di distribuzione di chiave quantistica forniscono un metodo per lo scambio di una chiave di crittografia tra due parti, la cui sicurezza è garantita dalle leggi inviolabili della meccanica quantistica. La ricerca nel campo dello scambio di chiave quantistica ad elevata dimensionalità sta rivoluzionando il panorama della crittografia e della sicurezza nel campo delle comunicazioni ottiche sia in spazio libero che in fibra. Tradizionalmente, i protocolli di scambio di chiave quantistica si basano su qubit, definiti in uno spazio a 2 dimensioni e implementati con stati di polarizzazione. L’aumento della dimensione dello spazio di Hilbert comporta non solo un incremento dei bit per fotone, ma anche un aumento della robustezza e della resistenza ad attacchi e rumore. La ricerca in questo ambito si concentra sul disegno, sviluppo e test di dispositivi ottici compatti e integrabili per la generazione e misura di stati fotonici ad elevata dimensionalità mediante il controllo delle proprietà spaziali della luce.
Contatti: Filippo Romanato, Gianluca Ruffato, Carmelo Mordini
Ottiche innovative per l’intrappolamento di ioni
I computer quantistici richiedono capacità di intrappolamento e confinamento con elevati livelli di precisione e versatilità. La ricerca in questo ambito si concentra nel disegno e integrazione di ottiche innovative nella forma di metalenti. Rispetto alle ottiche tradizionali, le metalenti consentono una manipolazione della luce senza precedenti mediante piattaforme integrabili, compatte e con alta densità di funzionalità. E’ possibile infatti creare array di trappole ottiche con spaziature e geometrie personalizzate, mentre la manipolazione della polarizzazione e delle proprietà spaziali della luce apre alla possibilità di controllo dinamico con soluzioni compatte ed efficienti. Questo consente una maggiore scalabilità ed un controllo più fine delle interazioni atomiche rispetto alle tecniche tradizionali. La capacità di manipolare singoli atomi con precisione sub-micrometrica apre la strada alla costruzione di computer quantistici più efficienti e scalabili, dove ogni atomo intrappolato funge da qubit in un reticolo complesso. Questa tecnologia non solo promette di superare le limitazioni delle tecniche di trapping attuali, ma può rappresentare anche un passo significativo verso la realizzazione pratica di computer quantistici su larga scala.
Contatti: Filippo Romanato, Gianluca Ruffato
Fotoni entangled ad alta dimensionalità
L’utilizzo di fotoni entangled sta aprendo a nuove frontiere di ricerca e applicazione in diversi campi, dalle scienze della vita alle tecnologie dell’informazione e delle comunicazioni. I fotoni entangled stanno ad esempio rivoluzionando l’ambito della microscopia ottica nella tecnica del "ghost imaging", dove le informazioni di un oggetto vengono ricostruite utilizzando la correlazione con fotoni che non hanno mai interagito direttamente con l'oggetto stesso, approccio che può risultare estremamente vantaggioso quando l'accesso diretto all'oggetto è limitato, e che trova estensioni anche su ambiti diversi (ad esempio, LIDAR) e a fasci di onde di materia (microscopia elettronica). Nel campo della crittografia e comunicazione quantistica, coppie di fotoni entangled forniscono sorgenti per la distribuzione di chiave quantistica o per la realizzazione di punti critici come teletrasporto degli stati quantistici ai nodi della rete. In questo ambito, la ricerca si concentra sullo studio, sia teorico che sperimentale, di entanglement ad elevata dimensionalità sulle proprietà spaziali dei fotoni, come ad esempio il momento angolare orbitale, e su come controllare la distribuzione statistica di queste proprietà mediante elementi ottici integrati con le sorgenti.
Contatti: Filippo Romanato, Gianluca Ruffato
Sorgenti di vuoto e luce compressi per metrologia avanzata
La generazione di stati di luce e vuoto non classici (stati squeezed) è di grande interesse per applicazioni in metrologia avanzata e comunicazioni quantistiche quali rilevazione di onde gravitazionali, microscopia quantistica, quantum communication and computing etc.
Tra i temi studiati c’è la realizzazione sperimentale di sorgenti squeezed in fibra e su chip ottici e della relativa elettronica di controllo a lunghezze d’onda nel telecom e vicino infrarosso.
Contatti: Marco Bazzan, Jean-Pierre Zendri (INFN)
Sensoristica quantistica
I sensori quantistici sono nuovi dispositivi la cui capacità di misura è abilitata dalla nostra capacità di controllare e leggere stati quantistici. Tali sensori possono rivoluzionare il nostro modo di fare esperimenti in fisica fondamentale, come nel caso della ricerca di materia oscura, o nel caso di misure di momenti di dipolo elettrico (EDM). Nel nostro laboratorio, applichiamo contatori di fotoni nelle microonde che si basano su transmon-qubits per leggere sistemi ibridi magnone-fotone o risuonatori 3D a microonde. Questi apparati ci consentono di sondare interazioni di particelle ipotetiche rispettivamente con fermioni e fotoni. Inoltre, ci focalizziamo sullo sviluppo di criocristalli di gas inerti drogati con molecole polari per migliorare la precisione in misure del momento di dipolo elettrico dell’elettrone.
Contatti: Caterina Braggio