INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Recentemente, al laboratorio COLD (CryOgenic Laboratory for Detectors) dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, è stato testato con successo un qubit superconduttivo di tipo 3D transmon in alluminio, progettato e realizzato interamente in Italia.
Il dispositivo, sviluppato da una collaborazione tra INFN, Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR (CNR-IFN), Università di Milano-Bicocca, Università degli Studi di Milano, TIFPA di Trento, Università di Firenze, Università di Pisa e Università di Salerno, è stato fabbricato da CNR-IFN nella NanoMicroFab di Roma Tor Vergata.
Nel 1999, il fisico giapponese Yasunobu Nakamura e i suoi collaboratori dimostrarono per la prima volta il controllo coerente di stati quantistici in un circuito superconduttivo basato su una giunzione Josephson, la componente fondamentale dei qubit. Da allora la ricerca sui qubit superconduttivi ha sviluppato diverse architetture, con l’obiettivo di aumentare la stabilità dei dispositivi e il loro tempo di coerenza. Tra queste, l’architettura transmon, introdotta nel 2007 e oggi tra le più utilizzate per i qubit superconduttivi, ha ridotto significativamente la sensibilità alle interferenze esterne e ottenuto tempi di coerenza maggiori rispetto alle generazioni precedenti.
Nella sua configurazione 3D – quella testata a Frascati – il qubit non è inciso su un chip planare, come nell’architettura 2D, ma è inserito all’interno di una cavità superconduttiva risonante, realizzata in questo caso ai Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN.
Il qubit italiano è stato raffreddato a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto e posto in uno stato di sovrapposizione quantistica. In queste condizioni, ha mantenuto la propria coerenza per circa 0,25 microsecondi: un tempo sufficiente a dimostrare il comportamento quantistico del dispositivo e a validare il processo di fabbricazione.
“È il primo qubit transmon in alluminio realizzato in Italia a mostrare un comportamento quantistico coerente”, commenta Claudio Gatti, responsabile del laboratorio COLD ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN. “A oltre venticinque anni di distanza dalla dimostrazione di Nakamura, questo risultato rappresenta un importante passo avanti per la ricerca italiana nel settore delle tecnologie quantistiche”.
Dopo numerosi cicli di progettazione, fabbricazione e caratterizzazione sperimentale, l’Italia dispone ora di una procedura affidabile per la realizzazione di qubit transmon in alluminio, entrando così nel gruppo – numeroso ma ancora limitato – delle nazioni che hanno sviluppato in autonomia questa tecnologia.
“I qubit superconduttivi sono gli elementi fondamentali dei circuiti quantistici, utilizzati sia per costruire computer quantistici sia per sviluppare sensori quantistici”, continua Gatti. “Per l’INFN padroneggiare questa tecnologia significa poter realizzare una nuova generazione di dispositivi dedicati allo studio delle leggi fondamentali della natura: dalla ricerca di materia oscura ultraleggera – che sfrutta i sensori quantistici – ai simulatori quantistici per la fisica fondamentale”.
Il risultato è stato raggiunto nell’ambito dei progetti QubIT e Quartet della Commissione Scientifica Nazionale V dell’INFN, nati dall’esperienza del precedente progetto SIMP (SIngle Microwave Photon), dedicato ai dispositivi basati su giunzioni Josephson. L’attività è stata inoltre finanziata dai progetti PNRR ICSC e NQSTI e dal progetto ERC Synergy Grant GravNet ideato da Claudio Gatti, Diego Blas, Dmitry Budker e Matthias Schott.