Una tecnologia da fantascienza nasce in Italia, il qubit di Frascati: i suoi usi e perché è così importante

Un dispositivo grande pochi centimetri, portato a temperature prossime allo zero assoluto, ha mostrato in laboratorio un comportamento tipicamente quantistico. Ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN è stato testato un qubit superconduttivo 3D transmon in alluminio progettato e realizzato interamente in Italia. Il risultato attesta che gruppi di ricerca e strutture nazionali sono riusciti a completare una filiera sperimentale, dalla progettazione alla verifica criogenica. Non equivale ancora a un computer quantistico operativo: è una dimostrazione di capacità tecnologica e di controllo del dispositivo. Gli usi del qubit di Frascati interessano il calcolo, i sensori e gli esperimenti di fisica fondamentale, mentre la sua importanza risiede anche nella possibilità di sviluppare autonomamente componenti per la ricerca quantistica.

Che cos’è un qubit superconduttivo e perché è importante

Un qubit è l’unità d’informazione di un sistema quantistico. A differenza del bit classico, che assume il valore zero oppure uno, può essere preparato in una sovrapposizione dei due stati. Questa proprietà non significa che il dispositivo esegua simultaneamente qualsiasi calcolo: le operazioni e le misure determinano come l’informazione quantistica viene trasformata e letta.

Nel qubit superconduttivo, gli stati sono realizzati tramite circuiti elettrici costruiti con materiali che, a temperature molto basse, conducono senza resistenza. Elementi non lineari del circuito permettono di distinguere livelli energetici e selezionare quelli impiegati per codificare lo zero e l’uno. Impulsi a microonde possono controllare il sistema; la risposta misurata rivela lo stato del qubit. Questa combinazione di circuiti fabbricabili e controllo elettronico rende la tecnologia adatta a esperimenti ripetibili e a possibili architetture con più elementi.

Il termine “superconduttivo” non indica che il qubit sia immune dai disturbi. Vibrazioni, imperfezioni dei materiali e interferenze elettromagnetiche possono alterarne lo stato. Per questo si misurano tempi di coerenza, cioè per quanto il sistema conserva le relazioni quantistiche utili prima che l’ambiente le degradi. La coerenza è una risorsa limitata: le operazioni devono essere eseguite con precisione entro quel tempo, e gli errori vanno ridotti con materiali, progettazione e tecniche di correzione.

Le radici sperimentali di questi circuiti risalgono agli studi sulle giunzioni Josephson sviluppati alla fine degli anni Novanta. Nel 2007 fu introdotta l’architettura transmon, concepita per attenuare la sensibilità alle fluttuazioni di carica rispetto a configurazioni precedenti. Il suo interesse è pratico oltre che scientifico: costruire e caratterizzare qubit contribuisce a formare competenze utili per computer quantistici, simulatori e strumenti di misura, anche quando le prestazioni non sono ancora sufficienti per applicazioni commerciali.

Come funziona l’architettura 3D transmon in alluminio

Nel transmon la giunzione Josephson, composta da due superconduttori separati da una sottile barriera isolante, introduce una risposta non lineare nel circuito. È questa caratteristica a rendere selezionabili due livelli energetici come stati logici. Il circuito viene controllato e interrogato con segnali a microonde: frequenza, durata e ampiezza degli impulsi consentono di preparare stati e indurre transizioni. La misura avviene attraverso l’interazione con una cavità risonante, la cui risposta dipende dallo stato del qubit.

La geometria “3D” sperimentata a Frascati si distingue dai dispositivi planari in cui circuito e risonatore sono integrati sullo stesso chip. In questa configurazione il qubit è collocato all’interno di una cavità superconduttiva risonante. La cavità, realizzata ai Laboratori Nazionali di Legnaro, confina il campo elettromagnetico e fornisce un ambiente di misura. La disposizione tridimensionale può ridurre alcune perdite associate al substrato e alle superfici, anche se il risultato effettivo dipende da materiali, giunzioni, assemblaggio e condizioni sperimentali.

L’alluminio è il materiale superconduttore impiegato nel dispositivo. Le proprietà del metallo a temperature criogeniche consentono di formare circuiti e giunzioni adatti a esperimenti a microonde. Tuttavia, la scelta del materiale da sola non garantisce prestazioni elevate: pulizia delle superfici, uniformità degli strati, geometria della barriera e qualità dei contatti concorrono a determinare quanto a lungo il qubit mantenga la coerenza.

La realizzazione richiede quindi un processo integrato: progettare il circuito, fabbricare il componente, collocarlo nella cavità, collegare i sistemi di controllo e raffreddare l’insieme. Ogni passaggio introduce possibili fonti di perdita o disallineamento. La configurazione 3D unisce qubit e risonatore in un sistema che rende possibile controllare e misurare la risposta quantistica. La dimostrazione italiana è significativa proprio perché verifica sul prototipo l’interazione di questi elementi, non soltanto il disegno teorico del circuito.

Il test nei Laboratori di Frascati: raffreddamento, coerenza e risultati

Per osservare il regime superconduttivo e limitare l’energia termica che disturberebbe il sistema, il dispositivo viene raffreddato in un apparato criogenico. Nel test di Frascati la temperatura è stata portata a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto, pari a circa 273 gradi sotto zero sulla scala Celsius. A queste condizioni il rumore termico è ridotto, ma non scompare ogni possibile fonte di decoerenza: restano rilevanti le proprietà del circuito, la schermatura e la qualità delle connessioni.

I ricercatori hanno preparato il qubit in una sovrapposizione quantistica e ne hanno osservato l’evoluzione attraverso la risposta del sistema. La misura ha indicato una coerenza di circa 0,25 microsecondi, ossia un quarto di milionesimo di secondo. È un intervallo breve rispetto alle prestazioni necessarie per calcoli quantistici complessi, che richiedono qubit controllabili, operazioni affidabili e tempi di coerenza adeguati. Il dato va quindi interpretato nel suo contesto: una prima caratterizzazione del prototipo, non la prova di un processore pronto all’uso.

Il risultato verificabile è che il dispositivo ha mostrato il comportamento coerente previsto per un transmon. Secondo Claudio Gatti, responsabile del laboratorio COLD di Frascati, si tratta del primo qubit transmon in alluminio costruito in Italia a manifestare tale comportamento. La distinzione è importante: un circuito può essere stato fabbricato correttamente sul piano geometrico senza che, una volta raffreddato, conservi proprietà quantistiche misurabili.

La prova documenta anche la capacità di collegare progettazione, fabbricazione, criogenia e misure sperimentali. Dopo diversi cicli di sviluppo e verifica, i gruppi dispongono di una procedura ripetibile per produrre e testare componenti di questo tipo. Il valore del test è soprattutto metodologico: offre una base per individuare le sorgenti che limitano la coerenza e guidare le successive revisioni del dispositivo, senza attribuire al singolo prototipo risultati che ancora non ha raggiunto.

La collaborazione italiana e la produzione del dispositivo

Il progetto riunisce competenze distribuite tra enti di ricerca e atenei. Alla collaborazione partecipano l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), il Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (CNR-IFN), le università di Milano-Bicocca, Statale di Milano, Firenze, Pisa e Salerno, oltre al TIFPA di Trento. Il contributo di gruppi con competenze diverse è necessario perché il qubit coinvolge fisica dei circuiti, microfabbricazione, elettronica a microonde e misure a temperature estreme.

Il componente è stato fabbricato nella NanoMicroFab di Roma Tor Vergata; la cavità risonante 3D è stata realizzata ai Laboratori Nazionali di Legnaro. A Frascati si è svolta la prova criogenica e la caratterizzazione. La distribuzione delle attività mostra come un dispositivo quantistico sia il risultato di una filiera: nessuna singola fase, dalla lavorazione all’analisi dei segnali, basta da sola a dimostrarne il funzionamento.

Questa collaborazione ha anche un valore formativo e infrastrutturale. Sviluppare procedure interne permette di accumulare esperienza nella fabbricazione delle giunzioni, nella preparazione dei campioni e nella diagnosi dei limiti sperimentali. La ripetibilità è essenziale: consente di confrontare prototipi, associare variazioni delle prestazioni a scelte di progetto e correggere i processi con evidenze misurabili.

Il risultato non implica che l’Italia produca già processori quantistici competitivi su larga scala. Attesta invece una capacità nazionale di progettare e verificare qubit, passaggio utile per partecipare allo sviluppo di tecnologie che richiedono competenze specialistiche e accesso a laboratori attrezzati. Il coordinamento tra università e istituti offre inoltre una rete per condividere strumenti e risultati, accelerando il passaggio dai prototipi iniziali a dispositivi più controllabili.

Usi futuri: computer quantistici, sensori e ricerca sulla materia oscura

L’applicazione più nota dei qubit è il calcolo quantistico. In un computer, più qubit vengono collegati e controllati per eseguire circuiti che sfruttano sovrapposizione e correlazioni quantistiche. Non ogni problema diventa più rapido: i vantaggi sono attesi soltanto per compiti specifici, e dipendono da numero di qubit, qualità delle operazioni e correzione degli errori. Il prototipo di Frascati non svolge calcoli utili su scala applicativa; costituisce un passo di sviluppo nella tecnologia dei componenti.

I circuiti superconduttivi possono servire anche come sensori. La loro risposta a segnali elettromagnetici e a piccole variazioni dell’ambiente può essere impiegata per misurare grandezze con sensibilità elevata. Per trasformare questa possibilità in uno strumento concreto occorre adattare geometria, cavità e frequenze al fenomeno da osservare, oltre a controllare rumore e stabilità. La dimostrazione del qubit fornisce competenze e metodi che possono essere trasferiti alla progettazione di rivelatori quantistici.

Tra gli obiettivi scientifici indicati dall’INFN figurano simulatori quantistici e ricerche di fisica fondamentale. Un simulatore permette di riprodurre, in un sistema controllabile, modelli difficili da trattare con strumenti convenzionali. In parallelo, dispositivi sensibili potrebbero contribuire alla ricerca di segnali associati alla materia oscura ultraleggera, una componente ipotetica della materia oscura studiata attraverso possibili interazioni debolissime. Non si tratta di una rilevazione già ottenuta: è una prospettiva sperimentale che richiede strumenti calibrati e campagne di misura dedicate.

Tra gli usi prospettati, quindi, non c’è un’unica applicazione immediata. Computer, sensori e ricerca fondamentale condividono la necessità di controllare stati quantistici e limitare le interferenze, ma richiedono dispositivi e criteri di prestazione differenti. Il valore del lavoro italiano consiste nel costruire competenze trasferibili e nel verificare una piattaforma su cui sviluppare ulteriori prototipi. Ogni passo successivo dovrà essere valutato con misure di coerenza, affidabilità e riproducibilità.