Fisica teorica della materia e tecnologie quantistiche

La moderna Fisica Teorica della Materia studia sistemi quantistici materia-radiazione in regimi “estremi”, cui si perviene con la miniaturizzazione e/o quando le interazioni diventano “ultraforti”. Per questi sistemi la fisica è dominata da proprietà peculiari, come la coerenza o la topologia.

Sono sistemi fisici naturali o “artificiali” (come i computer quantistici), che svelano aspetti misteriosi della Natura, come l'entanglement quantistico. L’impatto in Fisica Teorica e in Computer Science ne investe i fondamenti e al contempo le ricadute applicative preconizzate, raccolte sotto l'ombrello delle Tecnologie Quantistiche, sono groundbreaking.  

La ricerca a UniCT viene sviluppata entro le quattro linee descritte nel seguito. Essa si inquadra in grandi progetti strategici, dalla Flagship EU su “Quantum Technologies”, al “National Quantum Science and Technology Institute” (NQSTI) nel quale UniCT è sede capofila per “Education e Outreach”, al Centro Nazionale per “High-performance computing and Quantum Computing”.

Sia il Corso di laurea magistrale in Physics, sia il Dottorato di ricerca in Fisica presso il DFA.UniCT offrono percorsi in Tecnologie Quantistiche e Materia Condensata, con la possibilità di internship e sinergie internazionali accademiche e industriali.

A partire dall’A.A. 2024/25, è stato istituito un Master universitario di 2° livello su “Quantum Science and Technology”.

Dinamica quantistica non-lineare di atomi artificiali

Docenti: G. Falci, A. Ridolfo, E. Paladino, F. M. D. Pellegrino, L. Giannelli, R. Grimaudo
Studenti PhD: G. Anfuso, D. Fasone, A. Nicosia.

Studiamo la dinamica non-lineare di sistemi coerenti radiazione-materia, in particolare sistemi “artificiali” a stato solido (superconduttori, semiconduttori, impurità). La fisica esplora l’ottica quantistica nello stato solido, dove mostra aspetti totalmente nuovi legati alle diverse scale energetiche, al carattere non-perturbativo delle interazioni ed alla possibilità di controllarne il design. Questi sistemi fisici costituiscono lo hardware elettivo per l’informazione quantistica.
Progetti: NQSTI-Spoke 1-A1.1, EU Quantera SiUCS.

Sistemi quantistici aperti, controllo e ottimizzazione

Docenti: E. Paladino, G. Falci, A. Ridolfo, L. Giannelli, G. Chiriacò
Post-doc: N. Macrì
Studenti PhD: G. Chiatto, A. Verga

La teoria dei sistemi aperti, partendo dalla moderna formulazione della Meccanica Quantistica, studia i sistemi composti, bi- e multipartiti. La loro fisica differisce in maniera unica e fondamentale da quella dei sistemi fisici descritti dalla Meccanica Classica e interviene in questioni di principio come l’emergenza del mondo classico (decoerenza), l’irreversibilità macroscopica, lo entanglement delle fasi quantistiche di materia e radiazione, e il concetto di misura quantistica.

L’efficacia di nuove tecnologie quantistiche “dirompenti” per la computazione, la comunicazione ed il sensing richiede strategie per limitare la decoerenza. A questo proposito studiamo in particolare l’effetto di environment non-Markoviani, che sono la principale sorgente di rumore in sistemi quantistici a stato solido, e la dinamica di sistemi, aperti multistato controllati da campi classici dipendenti dal tempo.  

Progetti: NQSTI-Spoke 1-A1.4, ICSC – Spoke 10-T3.1.

Sistemi elettronici a pochi e molti corpi e materia topologica

Docenti: F. M. D. Pellegrino, E. Paladino, G. Falci, G. Chiriacò
Post-doc: E. Martello, F. Bonasera
Studenti PhD: V. Varrica, M. Parisi

Nei nanosistemi a stato solido la miniaturizzazione e le interazioni elettroniche forti, determinano una nuova fisica dove la coerenza quantistica e le proprietà topologiche sono determinanti. Essi costiutuiscono una delle piattaforme elettive per lo sviluppo di hardware quantistico. Allo scopo studiamo architetture superconduttive e circuit-QED, sistemi ibridi superconduttore-graphene e superconduttore-ferromagnete, analizzando le proprietà spettrali ed il trasporto quantistico. In particolare studiamo l’effetto della presenza di rumore da impurità (rumore 1/f), tipico dello stato solido, e il comportamento collettivo di sistemi bidimensionali fortemente ibridizzati con campi fotonici.

Progetti: NQSTI-Spoke 5-A5.2.

Intelligenza Artificiale e Tecnologie quantistiche

Docenti: L. Giannelli, G. Falci, E. Paladino
Studenti PhD: S. Mukherjee

L’integrazione dei metodi di intelligenza artificiale con le tecnologie quantistiche permette di accelerare notevolmente il loro sviluppo. In particolare, utilizziamo algoritmi di Machine Learning per ottimizzare il controllo e la caratterizzazione di dispositivi quantistici, per studiare e limitare l’effetto della decoerenza, nonché per identificare e sfruttare nuovi fenomeni quantistici. Parallelamente, studiamo come le proprietà dei sistemi quantistici possono potenziare algoritmi di IA.

Progetti: NQSTI-Spoke 1-A1.6, ICSC – Spoke 10-T3.1.