Course Syllabus

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Le Tecnologie Quantistiche sfruttano la capacità di controllare fenomeni quantistici nella materia per realizzare sensori con sensibilità altrimenti inarrivabili e sistemi di calcolo capaci risolvere problemi altrimenti inaccessibili. Questa è la seconda rivoluzione quantistica che è in corso in questi anni e alla cui base ci sono dispositivi quantistici - i qubit - realizzati sfruttando diverse piattaforme. In questo corso lo studente acquisirà le competenze chiave necessarie per comprendere i meccanismi con cui i qubit possono essere utilizzati come elementi di un computer o come sensori. In particolare si approfondiranno i qubit superconduttivi, che oggi sono il cuore dei computer quantistici più avanzati, e le tecnologie legate al loro utilizzo.
  • i qubits in pratica
  • interagire con un qubit
  • qubit come sensore
  • qubit superconduttivi
      • design, fabbricazione e caratterizzazione
      • uso e tecnologie correlate
      • esempi di applicazioni
  • cenni ad altri tipi di qubit e loro applicazioni

  • Sistemi quantistici per le tecnologie quantistiche: i qubit.
  • Qubits come elementi del quantum computing e come sensori quantistici.
  • Principi della misura con sensori quantistici
      • protocollo di misura con sensori quantistici (misura di Ramsey e di Rabi)
      • sensibilità dei sensori quantistici
  • Piattaforme per la realizzazione di qubit: atomi neutri, ioni intrappolati, spins, circuiti superconduttivi, fotoni...
  • i qubit superconduttivi
      • La giunzione josephson e gli SQUID. Cavità RF.
      • circuit QED
      • Design, fabbricazione e materiali per qubit superconduttivi.
      • Proprietà e uso dei qubit superconduttivi: decoerenza, controllo, entanglement di qubits, squeezing…
      • Tecnologie di supporto: elettronica a microonde, elettronica superconduttiva e tecniche a bassa temperatura.
      • esempi di applicazioni dei qubit superconduttivi
            • QND photon counting e la ricerca di assioni
            • computer quantistici superconduttivi
            • simulazioni quantistiche
  • i qubit a semiconduttore
      • principi base
      • confronto con i qubit superconduttivi
  • i sistemi quantistici fotonici
      • principi base
      • Rivelazione di singoli fotoni: CCD, SiPM, APD, SPSND (superconducting nanowire, TES, KIDs).
      • Sorgenti di singoli fotoni (deterministiche e no). Caratterizzazione di sorgenti di singoli fotoni
      • esempi di sistemi fotonici
          • verifica delle diseguaglianze di Bell
          • quantum imaging
          • enhanced quantum interferometry e LIGO

Un corso di Meccanica Quantistica a livello della laurea triennale di fisica (le nozioni di base necessarie per questo insegnamento saranno comunque richiamate)

lezioni frontali (6 cfu)

Le slides del corso saranno disponibili sul sito elearning del corso.
Un testo che raccoglie alcuni dei concetti base può essere:

  • “Quantum measurement “, Vladimir B. Braginsky, Farid Ya Khalili, Kip S. Thorne, Cambridge University Press, 1992

Testi più specifici verranno consigliati di volta in volta.
Durante il corso verranno inoltre indicati agli studenti articoli di rassegna sugli argomenti trattati. Una lista preliminare include

  • “Quantum sensing”, C. L. Degen, F. Reinhard, and P. Cappellaro. Rev. Mod. Phys. 89, 035002; https://doi.org/10.1103/RevModPhys.89.035002
  • “A quantum engineer's guide to superconducting qubits”, P. Krantz,  M. Kjaergaard, F. Yan, T. P. Orlando, S. Gustavsson, and  W. D. Oliver. Applied Physics Reviews 6, 021318 (2019); https://doi.org/10.1063/1.5089550
  • “Introduction to Experimental Quantum Measurement with Superconducting Qubits”, Mahdi Naghiloo, PhD 2019, Murch Lab, Washington University in St. Louis;  arXiv:1904.09291

1° semestre

Esame orale.
Voto in trentesimi 18-30/30
Non sono previste prove in itinere.

Su appuntamento per email

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Quantum Technologies exploit the ability to control quantum phenomena in matter to create sensors with otherwise unreachable sensitivities and computing systems capable of solving otherwise inaccessible problems. This is the second quantum revolution that is underway in recent years and at the base of which there are quantum devices - qubits - realized by exploiting different platforms. In this course the student will acquire the key skills necessary to understand the mechanisms by which qubits can be used as elements of a computer or as sensors. In particular, we will focus on superconducting qubits, which are now the core of the most advanced quantum computers, and the technologies related to their use.

  • qubits practical implementations
  • operate with qubits
  • qubits as sensors
  • superconducting qubits
      • design, fabrication and characterization
      • usage and related technologies
      • application examples
  • other type of qubits and examples of their application


  • Quantum systems for quantum technologies: qubits.
  • Qubits as quantum computer elements and as quantum sensors
  • Quantum sensing principles
  • quantum sensing protocols (Ramsey and Rabi measurements)
  • quantum sensing sensitivity
  • Quantum systems for realizing qubits: neutral atoms, trapped ions, spins, superconducting circuits, photons....
  • Superconducting qubits
      • Josephson junctions and SQUIDS. RF cavities.
      • circuit QED
      • Design, materials and fabrication
      • superconducting qubit properties and use: coherence time, control and readout, entanglement, squeezing…
      • Supporting technologies: microwave electronics, superconducting electronics, and low temperature techniques
      • superconducting qubit applications
          • QND photon counting and axion searches
          • superconducting quantum computer
          • quantum simulations
  • Semiconductor qubits
      • basic principles
      • superconducting vs. semiconductor qubits
  • Quantum photonics
      • basic principles
      • single photon detection: CCD, SiPM, APD, SPSND (superconducting nanowire, TES, KIDs).
      • single photon sources (deterministic and non-deterministic). Photon source characterization
      • quantum photonic examples
          • Bell inequality tests
          • quantum imaging
          • enhanced quantum interferometry and LIGO

A course in Quantum Mechanics at the bachelor's degree level in physics (the basic concepts required will be recalled)

Lessons (6 credits)

The course slides will be available through the elearning web page.
One text providing the basic concepts might be:

  • “Quantum measurement “, Vladimir B. Braginsky, Farid Ya Khalili, Kip S. Thorne, Cambridge University Press, 1992

More specific textbooks will be suggested during the course.
Furthermore, review articles will be referenced during the course according to the topics covered in class. A preliminary list includes:

  • “Quantum sensing”, C. L. Degen, F. Reinhard, and P. Cappellaro. Rev. Mod. Phys. 89, 035002; https://doi.org/10.1103/RevModPhys.89.035002
  • “A quantum engineer's guide to superconducting qubits”, P. Krantz,  M. Kjaergaard, F. Yan, T. P. Orlando, S. Gustavsson, and  W. D. Oliver. Applied Physics Reviews 6, 021318 (2019); https://doi.org/10.1063/1.5089550
  • “Introduction to Experimental Quantum Measurement with Superconducting Qubits”, Mahdi Naghiloo, PhD 2019, Murch Lab, Washington University in St. Louis;  arXiv:1904.09291

1st semester

Oral.
Exam grade 18-30/30
No intermediate test is planned.

On appointment by email

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Key information

Field of research
FIS/04
ECTS
6
Term
First semester
Activity type
Mandatory to be chosen
Course Length (Hours)
42
Language
English

Staff

    Teacher

  • AN
    Angelo Enrico Lodovico Nucciotti

Students' opinion

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Bibliography

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Enrolment methods

Manual enrolments
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