Course Syllabus
Obiettivi
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.
Le competenze acquisite dagli studenti costituiranno una solida base per poter comprendere dispositivi quantistici più complessi, anche basati su altre piattaforme, e le loro applicazioni.
Contenuti sintetici
- i qubits in pratica
- qubit superconduttivi
- interagire con un qubit
- qubit come sensore
- esempi di applicazioni
- cenni ad altri tipi di qubit e loro applicazioni
Programma esteso
- Sistemi quantistici per le tecnologie quantistiche: i qubit.
- Superconduttività
- Fenomenologia
- Effetti Josephson
- Giunzioni di Josephson
- SQUIDS RF e DC
- Effetti quantistici macroscopici nelle giunzioni di Josephson
- Qubit superconduttivi
- Quantizzazione di circuiti superconduttivi
- Circuit QED
- Dinamica di sistemi quantistici a due livelli
- Dinamica della Matrice di Densità
- Sistemi aperti
- Controllo coerente di un sistema quantistico a 2 livelli
- Misura quantistica
- Misure Quantum Non Demolition
- Amplificazione e rumore
- Rumore e decoerenza
- Qubits accoppiati e entanglement
- Esempi di altre piattaforme
- Quantum sensing con qubits
Prerequisiti
Un corso di Meccanica Quantistica a livello della laurea triennale di fisica (le nozioni di base necessarie per questo insegnamento saranno comunque richiamate)
Modalità didattica
21 lezioni da 2 ore svolte in modalità erogativa in presenza (6 cfu).
Materiale didattico
Due testi che raccolgono la maggior parte dei contenuti del corso sono:
- "Quantum Engineering - Theory and Design of Quantum Coherent Structures", A.M. Zagoskin, Cambridge University Press, 2011
- “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
Periodo di erogazione dell'insegnamento
1° semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale sugli argomenti svolti a lezione.
Il colloquio inizia con l'approfondimento di un articolo scientifico a scelta dello studente.
Voto in trentesimi 18-30/30
Non sono previste prove in itinere.
Orario di ricevimento
Su appuntamento per email
Sustainable Development Goals
Aims
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.
The skills students acquire will provide a solid foundation for understanding more complex quantum devices, including those based on other platforms, and their applications.
Contents
- qubits practical implementations
- superconducting qubits
- operate with qubits
- qubits as sensors
- application examples
- other type of qubits and examples of their application
Detailed program
- Quantum systems for quantum technologies: qubits
- Superconductivity
- Phenomenology
- Josephson effects
- Josephson junctions
- RF and DC SQUIDS
- Macroscopic Quantum Effects with Josephson junctions
- Superconducting qubits
- Quantization of superconducting circuits
- Circuit QED
- Two-level quantum systems dynamics
- Density matrix dynamics
- Open systems
- Two-level quantum system coherent control
- Quantum measurement
- Quantum Non Demolition measurements
- Amplification and noise
- Noise and decoherence
- Coupled qubits and entanglement
- Other platforms examples
- Quantum sensing with qubits
Prerequisites
A course in Quantum Mechanics at the bachelor's degree level in physics (the basic concepts required will be recalled)
Teaching form
21 2-hour lectures conducted in person and in delivery mode (6 cfu).
Textbook and teaching resource
Two texts providing the basic concepts might be:
- "Quantum Engineering - Theory and Design of Quantum Coherent Structures", A.M. Zagoskin, Cambridge University Press, 2011
- “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
Semester
1st semester
Assessment method
Oral examination on the topics presented during the course.
The colloquium begins with the discussion of a scientific article chosen by the student.
Exam grade 18-30/30
No intermediate test is planned.
Office hours
On appointment by email
Sustainable Development Goals
Staff
-
Angelo Enrico Lodovico Nucciotti
