Un po’ di Toscana nell’ultra-scienza che rivoluzionerà le tecnologie quantistiche

Scienziato al lavoro nel centro Sqms

PISA. C’è un pezzo di Toscana – di Pisa, per la precisione – nel centro ultra-tech statunitense ospitato al Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory), che ha le radici nell’Illinois a una spanna o due a Chicago direzione ovest: stiamo parlando del “Superconducting Quantum Materials and Systems Center” (Sqms), che ha appena ottenuto una linea di finanziamento di 125 milioni di dollari dalla costola scientifica del Dipartimento Usa dell’Energia. Dal quartier generale dell’Università di Pisa si mette l’accento sul legame di collaborazione con questa che è una delle cinque realtà messe in campo su questa frontiera del sapere scientifico avanzato: l’ateneo pisano contribuisce – viene fatto rilevare – «con le proprie competenze nel campo della fisica quantistica, dell’informatica, dei materiali avanzati e della microelettronica».

Si sta parlando di un progetto che, come viene ricordato da Pisa, si basa «sull’esperienza del Fermilab nelle tecnologie superconduttrici e criogeniche, originariamente create per gli acceleratori di particelle, e sulla sua vocazione a esplorare l’universo nei suoi principi fondamentali».

È da sottolineare che il Dipartimento statunitense riesce con quest’investimento a «riunire oltre 300 esperti provenienti da 43 istituzioni partner tra laboratori nazionali, università e industria». Con una missione da compiere: far progredire la prossima generazione di tecnologie quantistiche per il calcolo, la comunicazione e il sensing.

Anna Grassllino, direttrice Sqms al Fermilab

«In soli cinque anni, il centro Sqms è riuscito a trasformare la conoscenza di base in progressi tangibili: dai tempi di coerenza da record a nuovi materiali e dispositivi che ridefiniscono i limiti della tecnologia quantistica»: queste le parole di Anna Grassellino, figura di primo piano fra i “cervelli” che il nostro Paese ha exportato al di là dell’Atlantico. E qui ecco spuntare un altro spicchio di Toscana: a Grassellino è sì siciliana di Marsala, figlia di una preside e di un manager del settore medico, ma ha scelto Pisa per costruire la propria formazione universitaria (ingegneria elettronica con laurea nel 2005). Marito anch’egli scienziato e tre figli, ha 44 anni e le autorità statunitensi le hanno affidato la responsabilità di un importante polo di ricerca con un battaglione di scienziati di primissimo ordine. A un’età in cui in Italia forse avrebbe potuto sperare di muovere i primi passi in cattedra con il titolo di “prof”: in realtà, negli Usa, dove è rimasta dal dottorato in poi, come racconta in una intervista a “Vanity Fair”, a 26 anni le avevano già consegnato la responsabilità di un team di ricerca.

Ora tira un sospiro di sollievo per il rinnovo del finanziamento, e costruire le basi per «compiere il prossimo salto: passare dalla scoperta, all’applicazione». Al magazine del suo ex ateneo pisano, spiega che «insieme ai nostri partner di laboratori, università e industria, siamo pronti a far evolvere i sistemi quantistici verso livelli che consentiranno di sviluppare strumenti avanzati per la scienza, la tecnologia e la società».

Calcoli quantistici

L’Università di Pisa ricorda la propria partecipazione alla «nuova fase del progetto “Sqms” con cinque dipartimenti e – mette in risalto – sarà «attivamente coinvolta in tutti gli aspetti delle attività previste: scienza fondamentale, sviluppo tecnologico, algoritmi e applicazioni del calcolo quantistico». Aggiungendo poi: «Questo impegno sottolinea il ruolo centrale che le tecnologie quantistiche rivestono nel programma di ricerca dell’ateneo pisano, in continua espansione anche grazie ai significativi investimenti in strumentazioni condivise attraverso il centro universitario Cisup».

Nel lungo articolo targato Pisa si indica l’esigenza di «spingere i limiti delle prestazioni quantistiche»: il centro Sqms mette insieme un ventaglio di competenze «attraverso una collaborazione multidisciplinare che unisce scienza dell’informazione quantistica, superconduttività, scienza dei materiali, criogenia, ingegneria a microonde, scienza computazionale e fisica delle alte energie». Di fronte agli studiosi del team c’è «una delle sfide più grandi del settore: estendere la coerenza quantistica, ovvero il tempo durante il quale un “qubit” può conservare in modo affidabile le informazioni».

In virtù delle innovazioni nei materiali, nei processi di fabbricazione e nelle architetture basate su cavità, il centro diretto dall’ex alunna pisana ha raggiunto «tempi di coerenza tra i più lunghi al mondo e ha sviluppato i componenti fondamentali per le proprie piattaforme basate su cavità 3D e qudit». Il centro ha inoltre contribuito ai «progressi nel quantum sensing, ottenendo sensibilità record e nuovi metodi per la ricerca della materia oscura e per misure di precisione».

Adesso si apre la porta a quella che il giornale online dell’ateneo pisano definisce «una nuova era per il Centro Sqms»: utilizzerà cavità Srf ad altissima coerenza e sistemi criogenici scalabili per «affrontare alcuni dei maggiori ostacoli nella tecnologia quantistica». Il programma si concentrerà su tre aree principali:

• Nuovi materiali e dispositivi su chip. Sqms svilupperà nuovi materiali e metodi di fabbricazione per ottenere «dispositivi superconduttori con coerenza sempre maggiore, destinati a sistemi quantistici basati su cavità per il calcolo, la comunicazione e il sensing». Lo scopo: raggiungere «10 millisecondi di coerenza nei qubit transmon su chip: cioè un traguardo che avrà benefici anche per piattaforme commerciali come quelle del partner Sqms Rigetti Computing». Viene sottolineato che si punta a conoscenze che «non solo fanno avanzare la scienza dell’informazione quantistica, ma approfondiscono anche la nostra comprensione della superconduttività, uno degli stati più affascinanti e fondamentali della materia».
• Sviluppo di un processore quantistico SRF con oltre 100 qudit al Fermilab. La maggior parte dei progetti si basa su qubit superconduttori bidimensionali, invece al Sqms guidato da Grassellino no: l’approccio è 3D «basato su cavità e qudit, in cui ogni cavità codifica più stati quantici». In tal modo questa architettura offre «maggiore connettività, minore complessità di controllo e implementazione più efficiente degli algoritmi».
• Dimostrazione della prima unità di data center quantistico scalabile. All’orizzonte ci sono futuribili data center quantistici con migliaia di qubit: Sqms realizzerà «un prototipo dell’infrastruttura criogenica e a microonde necessaria per interconnessioni su larga scala».

«Il Fermilab e il Centro Sqms stanno spingendo i confini della scienza e della tecnologia delle cavità in modi che completano direttamente gli sforzi di Ibm per scalare il calcolo quantistico»: parola di Jay Gambetta, direttore di Ibm Research. Da questo lavoro si getteranno «le basi per l’internet quantistico».

Questo l’elenco dei partner di Sqms: Aalto University, Ames National Laboratory, Applied Materials, Bluefors, Desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron), Fermi National Accelerator Laboratory, Ibm, Illinois Institute of Technology, Illinois Mathematics and Science Academy, Infleqtion,  Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn), Johns Hopkins University, Kyocera, Lawrence Livermore National Laboratory, Lockheed Martin, Louisiana State University, Maybell Quantum Industries, Nasa Ames Research Center, Nist, National Physical Laboratory, New York University, Northern Illinois University, Northwestern University, Nvidia, Quantum Machines, Rigetti Computing, Royal Holloway University London, Rutgers University, Stanford University, Temple University, Unitary Foundation, University of Arizona, University of Colorado Boulder, University of Illinois Chicago, University of Maryland, University of Michigan, University of Minnesota, University of Oregon, University of Pisa, University of Southern California, University of Toronto, University of Waterloo, Universities Space Research Association.