Italiano

Sono richieste conoscenze di base di meccanica quantistica, elettromagnetismo, fisica della materia e struttura della materia, equivalenti a quelle normalmente acquisite nei corsi della laurea triennale in Fisica.

 

English
Basic knowledge of quantum mechanics, electromagnetism, condensed matter physics and solid-state physics, equivalent to that acquired during a Bachelor's degree in Physics, is required.

Italiano

Il corso introduce i principi fisici, i materiali, i dispositivi e le metodologie alla base delle moderne tecnologie quantistiche allo stato solido. A partire dai fondamenti dei materiali quantistici e del trasporto elettronico mesoscopico, vengono analizzate le principali piattaforme per la computazione quantistica, la metrologia quantistica, il quantum sensing e i sistemi quantistici ibridi, con particolare attenzione ai qubit superconduttivi, agli spin-qubit, ai materiali topologici e alla quantum acoustics. Il corso integra aspetti fondamentali, sperimentali e applicativi, con continui riferimenti alla ricerca contemporanea e alle principali piattaforme sviluppate nei laboratori accademici e industriali. Le lezioni sono completate da attività sperimentali dedicate alla caratterizzazione di dispositivi quantistici mediante strumentazione avanzata presente nei laboratori dell'infrastruttura EMFL-IRIS.

 

English

The course introduces the physical principles, materials, devices and methodologies underlying modern solid-state quantum technologies. Starting from the fundamentals of quantum materials and mesoscopic electron transport, it addresses the main platforms for quantum computing, quantum metrology, quantum sensing and hybrid quantum systems, with particular emphasis on superconducting qubits, spin qubits, topological materials and quantum acoustics. The course combines fundamental concepts, experimental methodologies and technological applications, with continuous reference to current research and to the leading platforms developed in academic and industrial laboratories. Lectures are complemented by hands-on activities devoted to the characterization of quantum devices using advanced experimental instrumentation in the laboratories of the EMFL-IRIS infrastructure.

Italiano

Conoscenze e comprensione. Comprendere i principi fisici, i materiali e i dispositivi alla base delle tecnologie quantistiche allo stato solido. In particolare: nanostrutture a bassa dimensionalità e materiali 2D; trasporto mesoscopico, tunneling e dispositivi a singolo elettrone; effetti Hall quantistici e materiali topologici; superconduttività, giunzioni Josephson e qubit superconduttivi; magnetismo, spintronica, spin-qubit, magnonica e sistemi ibridi; materiali piezoelettrici, dispositivi SAW e quantum acoustics. Acquisire inoltre i fondamenti della computazione, della metrologia e del sensing quantistici.

Capacità di applicare conoscenze e comprensione. Applicare i modelli teorici all’interpretazione di materiali e dispositivi quantistici reali. Analizzare dati di trasporto, magnetotrasporto e spettroscopia RF/microonde e partecipare, sotto supervisione, a esperimenti avanzati su dispositivi Hall quantistici, giunzioni Josephson, sistemi magnonici e dispositivi SAW.

Autonomia di giudizio. Analizzare criticamente risultati sperimentali, modelli teorici, articoli scientifici e differenti piattaforme quantistiche, valutandone vantaggi, limiti, condizioni operative e principali fonti di rumore e decoerenza.

Abilità comunicative. Utilizzare correttamente il linguaggio scientifico del settore e presentare con chiarezza i risultati di un’esperienza di laboratorio o una tematica di ricerca mediante relazione scritta e/o presentazione orale con slide.

Capacità di apprendimento. Sviluppare un metodo di studio autonomo basato sull’uso critico di libri di testo e letteratura scientifica, utile per approfondire temi interdisciplinari tra fisica della materia, nanotecnologie, elettronica quantistica e dispositivi.

 

English

Knowledge and understanding. Understand the physical principles, materials and devices underlying solid-state quantum technologies, including low-dimensional nanostructures and 2D materials; mesoscopic transport, tunnelling and single-electron devices; quantum Hall effects and topological materials; superconductivity, Josephson junctions and superconducting qubits; magnetism, spintronics, spin qubits, magnonics and hybrid systems; piezoelectric materials, SAW devices and quantum acoustics. Students will also acquire the fundamentals of quantum computing, quantum metrology and quantum sensing.

Applying knowledge and understanding. Apply theoretical models to the interpretation of real quantum materials and devices. Analyse transport, magnetotransport and RF/microwave spectroscopy data and take part, under supervision, in advanced experiments on quantum Hall devices, Josephson junctions, magnonic systems and SAW devices.

Making judgements. Critically analyse experimental results, theoretical models, scientific papers and different quantum platforms, assessing their advantages, limitations, operating conditions and main sources of noise and decoherence.

Communication skills. Use the appropriate scientific language and clearly present the results of a laboratory experiment or a current research topic through a written report and/or an oral presentation supported by slides.

Learning skills. Develop an autonomous study method based on the critical use of textbooks and scientific literature, suitable for further study of interdisciplinary topics involving condensed matter physics, nanotechnology, quantum electronics and devices.

Italiano

Le attività didattiche comprendono lezioni frontali supportate da presentazioni multimediali con immagini, animazioni, video ed esempi tratti dalla letteratura scientifica. Il materiale didattico viene reso disponibile agli studenti, ove possibile, prima delle lezioni, per facilitarne la partecipazione e la presa di appunti. Il corso prevede inoltre discussioni guidate, analisi di casi studio e attività di laboratorio su materiali e dispositivi quantistici, con acquisizione ed elaborazione dei dati sperimentali.

 

English

Teaching activities include lectures supported by multimedia presentations containing images, animations, videos and examples from the scientific literature. Teaching materials are made available to students, whenever possible, before the lectures in order to facilitate participation and note-taking. The course also includes guided discussions, case-study analysis and laboratory activities on quantum materials and devices, including experimental data acquisition and processing.

Italiano

L’esame consiste in due parti.

1. Approfondimento individuale e presentazione orale

Ogni studente prepara e presenta, con il supporto di slide, un approfondimento su un argomento attinente al corso, concordato preventivamente con il docente. Il lavoro può consistere in una revisione critica della letteratura scientifica, nell’analisi di risultati recenti nel campo delle tecnologie quantistiche allo stato solido oppure in una proposta progettuale basata sullo stato dell’arte e sulle prospettive di ricerca. L’approfondimento può anche riguardare l’analisi e la discussione dei risultati delle attività di laboratorio.

2. Colloquio orale

A completamento della presentazione, lo studente risponde a due domande:

• una relativa alla parte dei Fondamenti, comprendente materiali quantistici, effetti Hall quantistici e trasporto quantistico;

• una relativa agli Approcci e componenti per la computazione e le tecnologie quantistiche allo stato solido, comprendente, a titolo esemplificativo, superconduttività e qubit superconduttivi, spin-qubit e magnonica, materiali topologici, quantum acoustics e quantum sensing.

La prova è finalizzata a verificare la conoscenza e la comprensione dei contenuti del corso, la capacità di collegare modelli teorici, risultati sperimentali e dispositivi, l’autonomia nell’analisi della letteratura scientifica e la capacità di esporre con chiarezza una tematica di ricerca attuale.

 

English

The examination consists of two parts.

1. Individual study and oral presentation

Each student prepares and presents, with the support of slides, an individual study on a topic related to the course and previously agreed with the lecturer. The work may consist of a critical review of the scientific literature, an analysis of recent results in solid-state quantum technologies, or a research proposal based on the current state of the art and open perspectives. The presentation may also focus on the analysis and discussion of results obtained during the laboratory activities.

2. Oral examination

Following the presentation, the student is required to answer two questions:

• one concerning the Foundations part of the course, including quantum materials, quantum Hall effects and quantum transport;
• one concerning Approaches and Building Blocks for Solid-State Quantum Computing and Technologies, including, for example, superconductivity and superconducting qubits, spin qubits and magnonics, topological materials, quantum acoustics and quantum sensing.

The examination assesses the student’s knowledge and understanding of the course contents, the ability to connect theoretical models, experimental results and devices, the capacity to critically analyse the scientific literature, and the ability to clearly present a current research topic.

disponibile a concordare le date con gli studenti

Italiano

Introduzione

Elettronica e tecnologie allo stato solido per la computazione, le memorie, il sensing e le applicazioni avanzate. Evoluzione delle tecnologie microelettroniche, prospettive e limiti delle architetture convenzionali. Architetture computazionali alternative: DNA computing, Quantum-dot Cellular Automata (QCA), computazione neuromorfica e computazione quantistica.

Fondamenti

Parte I – Materiali Quantistici

Confinamento quantistico. Nanostrutture a bassa dimensionalità. Pozzi, fili e punti quantici. Materiali bidimensionali, grafene, dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDs), eterostrutture di van der Waals e loro proprietà elettroniche.

Parte II – Effetti Hall Quantistici

Effetto Hall Quantistico intero e frazionario (QHE e FQHE). Effetto Hall anomalo (AHE) e Spin Hall Effect (SHE). Stati di bordo, anioni, accoppiamento spin-orbita, isolanti topologici e applicazioni metrologiche.

Parte III – Trasporto Quantistico

Trasporto mesoscopico. Formalismo di Landauer-Büttiker. Quantum Point Contacts. Quantizzazione della conduttanza. Tunneling quantistico. Transistor a singolo elettrone (SET). Effetto Kondo.

Approcci e componenti per la computazione quantistica allo stato solido

Parte IV – Dalla Superconduttività ai Qubit Superconduttivi

Fenomenologia e teorie della superconduttività. Equazioni di London, teoria di Ginzburg-Landau e teoria BCS. Gap superconduttivo. Effetto Josephson, SQUID, risonatori e amplificatori superconduttivi. Circuit QED. Qubit superconduttivi, transmoni e sistemi quantistici ibridi.

Parte V – Dalla Spintronica agli Spin-Qubit, Magnonica e Architetture Quantistiche Ibride

Fondamenti di magnetismo, nanomagnetismo e magnetismo molecolare. Spintronica e magnonica. Qubit di spin in quantum dots. Qubit basati su centri NV e Single Molecule Magnets (SMM). Polaritoni magnonici, dispositivi ibridi e circuit QED.

Parte VI – Dai Materiali Topologici alla Computazione Quantistica Topologica

Materiali topologici, superconduttori topologici, fermioni di Majorana e principi della computazione quantistica topologica.

Parte VII – Dai Materiali Piezoelettrici e dai Dispositivi SAW alla Quantum Acoustics

Materiali piezoelettrici e relazioni costitutive. Dispositivi a onde acustiche superficiali (SAW). MEMS e oscillatori nanomeccanici. Quantum acoustodynamics e sistemi acusto-quantistici.

Parte VIII – Dalla Computazione Quantistica al Quantum Sensing

Principi del quantum sensing. Limite quantistico standard e limite di Heisenberg. Coerenza e decoerenza. Ramsey interferometry. Magnetometri SQUID e sensori basati su centri NV. Stati squeezed e sensing quantistico avanzato. Sistemi quantistici ibridi per applicazioni di sensing.

Attività di laboratorio

Esperienze sperimentali dedicate alla caratterizzazione di dispositivi e fenomeni quantistici allo stato solido, comprendenti misure su dispositivi Hall quantistici, giunzioni Josephson, sistemi a forte accoppiamento magnonico e dispositivi a onde acustiche superficiali (SAW), con utilizzo di Vector Network Analyzer (VNA), strumentazione criogenica e software per l'acquisizione e l'elaborazione dei dati.

 

English

Introduction

Solid-state electronics and technologies for computation, memory, sensing and advanced applications. Evolution of microelectronic technologies, perspectives and limitations of conventional architectures. Alternative computing paradigms including DNA computing, Quantum-dot Cellular Automata (QCA), neuromorphic computing and quantum computing.

Foundations

Part I – Quantum Materials

Quantum confinement. Low-dimensional nanostructures. Quantum wells, wires and dots. Two-dimensional materials including graphene, transition metal dichalcogenides (TMDs) and van der Waals heterostructures.

Part II – Quantum Hall Effects

Integer and fractional Quantum Hall Effect (QHE and FQHE). Anomalous Hall Effect (AHE) and Spin Hall Effect (SHE). Edge states, anyons, spin-orbit coupling, topological insulators and metrological applications.

Part III – Quantum Transport

Mesoscopic quantum transport. Landauer-Büttiker formalism. Quantum point contacts. Conductance quantization. Quantum tunnelling. Single-electron transistors. Kondo effect.

Approaches and Building Blocks for Solid-State Quantum Computing

Part IV – From Superconductivity to Superconducting Qubits

Phenomenology and theories of superconductivity. London equations, Ginzburg-Landau theory and BCS theory. Superconducting energy gap. Josephson effect, SQUIDs, superconducting resonators and amplifiers. Circuit QED. Superconducting qubits, transmons and hybrid quantum systems.

Part V – From Spintronics to Spin Qubits, Magnonics and Hybrid Quantum Architectures

Fundamentals of magnetism, nanomagnetism and molecular magnetism. Spintronics and magnonics. Spin qubits in quantum dots. NV-center and Single Molecule Magnet qubits. Magnon polaritons, hybrid devices and circuit QED.

Part VI – From Topological Materials to Topological Quantum Computing

Topological materials, topological superconductors, Majorana fermions and principles of topological quantum computing.

Part VII – From Piezoelectric Materials and SAW Devices to Quantum Acoustics

Piezoelectric materials and constitutive relations. Surface acoustic wave (SAW) devices. MEMS and nanomechanical resonators. Quantum acoustodynamics and hybrid phononic quantum systems.

Part VIII – From Quantum Computing to Quantum Sensing

Principles of quantum sensing. Standard Quantum Limit and Heisenberg Limit. Quantum coherence and decoherence. Ramsey interferometry. SQUID magnetometers and NV-center-based sensors. Squeezed states and quantum-enhanced sensing. Hybrid quantum sensing platforms.

Laboratory activities

Hands-on laboratory sessions devoted to the characterization of solid-state quantum devices and phenomena, including experiments on quantum Hall devices, Josephson junctions, strongly coupled magnonic systems and surface acoustic wave (SAW) devices, using Vector Network Analyzers (VNA), cryogenic instrumentation and advanced data acquisition and processing tools.

Dispense fornite dal docente e per supporto/approfondimenti:

- Solid State Physics, N. W. Ashcroft, N. D. Mermin

- Quantum semiconductor structures, C.Weisbuch, B.Vinter

- Mesoscopic quantum transport, Markus Büttiker (European School on Nanosciences and Nanotechnologies)

- Magnetic Materials: Fundamentals and applications, N. A. Spaldin