L’Ufficio per la Scienza del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha rinnovato il finanziamento del Superconducting Quantum Materials and Systems Center (SQMS), ospitato presso il Fermi National Accelerator Laboratory, destinando al centro 125 milioni di dollari nei prossimi cinque anni per finanziare la ricerca nella scienza dell’informazione quantistica. Fondato nel 2020, SQMS è uno dei cinque National Quantum Information Science Research Centers istituiti dal DOE nell’ambito del National Quantum Initiative Act. Il progetto 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. Tra i partner internazionali del laboratorio figura anche l’Università di Pisa, che contribuisce con le proprie competenze nel campo della fisica quantistica, dell’informatica, dei materiali avanzati e della microelettronica.
L’investimento del DOE continua a riunire oltre 300 esperti provenienti da 43 istituzioni partner tra laboratori nazionali, università e industria, per far progredire la prossima generazione di tecnologie quantistiche per il calcolo, la comunicazione e il sensing. “In soli cinque anni, 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,” ha dichiarato Anna Grassellino, direttrice del Centro SQMS. “Questo rinnovo ci permette di continuare a costruire su queste basi e a compiere il prossimo salto: passare dalla scoperta, all’applicazione. 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”.
L’Università di Pisa, dove Anna Grassellino si è laureata in ingegneria elettronica nel 2005, partecipa alla nuova fase del progetto SQMS con cinque dipartimenti e sarà attivamente coinvolta in tutti gli aspetti delle attività previste: scienza fondamentale, sviluppo tecnologico, algoritmi e applicazioni del calcolo quantistico. 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. Il finanziamento previsto da SQMS sarà destinato in gran parte all’apertura di dottorati dedicati nel settore.
Spingere i limiti delle prestazioni quantistiche
SQMS si baserà sui risultati raggiunti nei suoi primi cinque anni per sviluppare capacità di calcolo leader a livello mondiale, sistemi quantistici scalabili e resilienti e tecnologie che rafforzino la leadership scientifica di SQMS.
Il Centro integra queste 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. Insieme, il team ha affrontato 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.
Grazie a innovazioni nei materiali, nei processi di fabbricazione e nelle architetture basate su cavità, SQMS 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.
Una nuova era per il Centro SQMS
Nella nuova fase, 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:
1. 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. L’obiettivo è raggiungere 10 millisecondi di coerenza nei qubit transmon su chip — un traguardo che avrà benefici anche per piattaforme commerciali come quelle del partner SQMS Rigetti Computing. “La collaborazione SQMS sta compiendo grandi progressi nella comprensione delle origini microscopiche della decoerenza nei circuiti e nei rivelatori superconduttori,” ha affermato Jim Sauls, professore e Hearne Chair of Theoretical Physics alla Louisiana State University. “Queste conoscenze 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.”
2. Sviluppo di un processore quantistico SRF con oltre 100 qudit al Fermilab
Mentre la maggior parte dei progetti si basa su qubit superconduttori bidimensionali, SQMS sta sviluppando un approccio 3D basato su cavità e qudit, in cui ogni cavità codifica più stati quantici. Questa architettura offre maggiore connettività, minore complessità di controllo e implementazione più efficiente degli algoritmi. SQMS costruirà e implementerà, in collaborazione con partner come Quantum Machines, un prototipo da 100 qudit — equivalente a circa 500 qubit — all’interno di un unico frigorifero a diluizione. La piattaforma fungerà da struttura unica per esperimenti di calcolo e sensing quantistico.
3. Dimostrazione della prima unità di data center quantistico scalabile
Per abilitare futuri data center quantistici con migliaia di qubit, SQMS realizzerà un prototipo dell’infrastruttura criogenica e a microonde necessaria per interconnessioni su larga scala. Ciò include collegamenti basati su cavità ad alta fedeltà tra più unità di rete quantistica IBM e una soluzione criogenica a elio liquido ad alta efficienza energetica, sviluppata insieme a Maybell Quantum Industries.
“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,” ha dichiarato Jay Gambetta, direttore di IBM Research. “Il loro lavoro su cavità superconduttrici ad alta coerenza e tecnologie di rete quantistica aiuterà a gettare le basi per l’internet quantistico, in cui più processori operano insieme come un unico sistema. Questo tipo di collaborazione è essenziale per far avanzare l’intero campo — dai singoli dispositivi a sistemi quantistici su larga scala in grado di trasformare la ricerca e l’industria.”
Nuove frontiere nella scienza dell’informazione quantistica
Le scoperte di SQMS apriranno nuove frontiere nella tecnologia e nella scienza.
Gli esperimenti previsti con l’hardware sviluppato dal centro includono ricerche quantistiche per la materia oscura e le onde gravitazionali, magnetometria di precisione e test fondamentali della meccanica quantistica, oltre a simulazioni rilevanti per la fisica delle alte energie e della materia condensata.
“L’INFN è orgoglioso di far parte della collaborazione SQMS, che unisce scienziati di diversi continenti nello sviluppo di tecnologie quantistiche fondamentali per il futuro della ricerca e della società,” ha dichiarato Antonio Zoccoli, presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). “Combinando le competenze italiane in materiali superconduttori, criogenia e fisica fondamentale, stiamo accelerando i progressi verso una comprensione più profonda della natura e verso nuove tecnologie che porteranno benefici alla società.”
Attraverso questo rinnovato partenariato, il Fermilab e i suoi collaboratori continueranno a spingere i limiti della coerenza, della scalabilità e del controllo quantistici — gettando le basi per la prossima generazione di scienza e tecnologia dell’informazione quantistica.
“Il Centro SQMS rappresenta un esempio di come i laboratori nazionali del DOE riuniscano team multidisciplinari per affrontare grandi sfide scientifiche,” ha affermato Young-Kee Kim, direttrice ad interim del Fermilab. “I suoi progressi contribuiranno a garantire la leadership degli Stati Uniti nella corsa globale allo sviluppo di tecnologie quantistiche pratiche.”
I 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, INFN – Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, 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.
