Simulatori quantistici più piccoli e più caldi: pionieri del futuro della sperimentazione

Panoramica progetto:

Date: 01 ottobre 2020 – 30 settembre 2024    |    Durata: 48 mesi   
Funding: EU Horizon 2020 – Future Emerging Technologies
Responsabile progetto: Fondazione Bruno Kessler   |   Valore: €3.26M   | No. Partners: 7     

Visita il sito EPIQUS

La sfida

I simulatori, pietra miliare del futuro della sperimentazione, consentono di esplorare scenari e condizioni del mondo reale senza i rischi associati, i costi e le limitazioni di tempo imposte dal mondo reale. Dai trasporti alla medicina, dall’agricoltura alla finanza, molti settori utilizzano i simulatori per approssimare e modellare gli scenari della realtà; tramite essi è possibile testare idee, raccogliere informazioni e perfezionare le operazioni. L’integrazione della natura e del comportamento della materia e dell’energia a livello atomico e subatomico crea un mondo virtuale più autentico in cui eseguire le simulazioni: questo può essere ottenuto con la meccanica quantistica. Tuttavia, attualmente esiste solo un modo per accedere ai comportamenti quantistici ed è ostacolato dalla necessità di condizioni complesse. Il progetto EPIQUS, finanziato dall’iniziativa EU Horizon 2020 – Future Emerging Technologies, sta creando un simulatore quantistico (QS) operante a temperatura ambiente, accessibile in laboratorio, economico e performante. Un simulatore quantistico di questo tipo può offrire molti vantaggi, tra cui il supporto a un’innovazione rapida e diffusa.

La strategia

EPIQUS ha progettato e sta costruendo un prototipo di QS economico, facile da usare e affidabile. La visione del progetto di creare un QS è stata realizzata combinando le funzioni microelettroniche mature del silicio e quelle microfotoniche quantistiche del nitruro di silicio su una piattaforma di semiconduttori unica, per produrre un dispositivo rivoluzionario.

È in fase di sviluppo un hardware QS integrato in 3D, che prevede un circuito fotonico di interferenza quantistica integrato monoliticamente su un chip di silicio con array scalabili di rivelatori a valanga di singoli fotoni (SPAD di silicio) operanti a ~850 nm a temperatura ambiente.

Parallelamente, si sta costruendo un sistema integrato personalizzato di algoritmi quantistici in grado di sostenere i risultati hardware della simulazione quantistica. In combinazione, un chip elettronico guiderà il modulo QS per controllare attivamente il circuito ottico quantistico e raccogliere i dati in uscita, che saranno utilizzati per alimentare e perfezionare ulteriormente l’algoritmo software.

“Primo dispositivo del suo genere a simulare problemi di meccanica quantistica a temperatura ambiente, il dispositivo EPIQUS potrebbe essere una tecnologia fondamentale per i futuri simulatori quantistici.”

La motivazione e l’impatto atteso

Si prevede che l’EPIQUS QS aprirà le porte a futuri sviluppi di circuiti integrati fotonici quantistici miniaturizzati e più complessi e a rivelatori on-chip di stati di luce quantistici. Finora la ricerca ha fruttato al team diverse pubblicazioni di alto profilo, tra cui articoli su Nature Physics, Nature Communications e Optica.

Per quanto riguarda l’impatto dell’applicazione della tecnologia, essa consentirà di testare nuove idee e funzionalità quantistiche su un singolo chip di silicio, gestito in remoto da un utente mediante un PC. Per le industrie che utilizzano le simulazioni per definire i loro processi decisionali, l’obiettivo finale è quello di poter utilizzare i simulatori quantistici per accedere a scenari più accurati e reali che producano informazioni di migliore qualità. Allo stesso modo, i futuri esperimenti scientifici per comprendere i processi, ad esempio le reazioni chimiche, le proprietà di nuovi materiali o i sistemi biologici, potrebbero essere eseguiti da un simulatore quantistico per prevedere i percorsi e i risultati delle reazioni.

Cosa c’è dopo…

Con l’avvicinarsi della fine del progetto, i risultati di EPIQUS stanno venendo alla luce e il team è intenzionato a far progredire ulteriormente l’attività. Il prossimo passo è capire i tipi di problemi che possono essere risolti grazie a questi chip; il team ha iniziato a testare idee utilizzando simulazioni, per poi ridimensionare quelle di successo trasformando la rete in un denso circuito integrato su un singolo chip, che è stato successivamente caratterizzato. C’è molto lavoro da fare per esplorare la gamma di applicazioni per cui questi chip possono essere utilizzati, e il lavoro è appena iniziato! Il team ha in programma di sfruttare il successo del progetto creando, sperimentando e caratterizzando i chip, oltre a lavorare sul software del sistema per migliorarne le prestazioni.

L’aspetto più interessante è che i chip forniscono un mezzo per esplorare nuove idee nel campo della scienza quantistica e questo approccio nuovo e promettente apre le porte verso scoperte rivoluzionarie.

Ci aspettiamo risultati discretamente interessanti da questi nuovi chip, anzi… quantisticamente interessanti.

Informazioni sul team

Il team del progetto EPIQUS ricopre una gamma diversificata di competenze che spaziano in un ambio campo di specializzazioni ingegneristiche come l’ingegneria dei materiali, dei dispositivi, dei circuiti fotonici ed elettronici, la tecnologia di microfabbricazione, l’ottica quantistica e le tecnologie informatiche. Insieme, le capacità dei partner consentono di progettare, costruire, sperimentare e perfezionare il QS senza dover ricorrere a partner esterni.

Il team internazionale del progetto è guidato dalla Fondazione Bruno Kessler (Italia) con partner dell’Università di Trento (Italia), dell’Università dei Paesi Baschi (Spagna), dell’Università di Vienna (Austria), dell’Università di Rostock (Germania), dell’Università di Tecnologia di Vienna (Austria), dell’Istituto di Ricerca per l’Elettronica e le Telecomunicazioni (Corea del Sud), di LFoundry SRL (Italia) e della Pukong National University Industry-University Cooperation Foundation (Corea del Sud).

Pubblicazioni in evidenza

• Ghulinyan, M. (2023). ‘Quantum simulator on a single chip’, EU Research, Winter 2023 vol. (37), pp. 45 – 47.
• M. Bernard, F. Acerbi, G. Paternoster, G. Piccoli, L. Gemma, D. Brunelli, A. Gola, G. Pucker, L. Pancheri, and M. Ghulinyan. Top-down convergence of near-infrared photonics with silicon substrate-integrated electronics. Optica 8, 1363-1364 (2021). https://doi.org/10.1364/OPTICA.441496
• G Piccoli, M Sanna, M Borghi, L Pavesi, M Ghulinyan. Silicon oxynitride platform for linear and nonlinear photonics at NIR wavelengths. Optical Materials Express 12(9), 3551-3562 (2022). https://doi.org/10.1364/OME.463940
• Neef, V., Pinske, J., Klauck, F., Teuber, L., Kremer, M., Ehrhardt, M., Heinrich, M., Scheel, S. and Szameit, A. Three-dimensional non-Abelian quantum holonomy. Nature Physics,19(1), pp.30-34 (2023). https://doi.org/10.1038/s41567-022-01807-5
• Schiansky, P., Kalb, J., Sztatecsny, E., Roehsner, M.C., Guggemos, T., Trenti, A., Bozzio, M. and Walther, P. Demonstration of quantum-digital payments. Nature Communications 14, p. 3849 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-39519-w
• Leoze, Nicolò; Azzini, Stefano; Mazzucchi, Sonia; Moretti, Valter; Sanna, Matteo; Borghi, Massimo; Piccoli, Gioele; Bernard, Martino; Ghulinyan, Mher; Pavesi, Lorenzo (2023) Generation of quantum-certified random numbers using on-chip path-entangled single photons from an LED. Photonics Research  11(9), pp. 1484-1499 (2023). https://doi.org/10.1364/PRJ.488875

Per ulteriori informazioni:

M. Ghulinyan, IQO, FBK – Center for Sensors and Devices  | T: +39 0461314676 | E: [email protected]

Questo studio è stato sviluppato da Mher Ghulinyan e dalla Fondazione Bruno Kessler – Center for Sensors and Devices nel 2024 come parte di una revisione generale dell’impatto della ricerca del Centro.