Un amplificatore a basso rumore per dispositivi quantistici

La superconduttività è una delle scoperte della fisica quantistica che ha generato più interesse e aspettative per le nuove possibili applicazioni. Treni a levitazione magnetica, apparecchi per risonanze magnetiche più localizzate, computer quantistici più veloci e in grado di archiviare grandi quantità di dati, sono solo alcuni dei vantaggi più promettenti dei superconduttori. Senza contare le applicazioni nel campo dell’elettronica, data la sempre maggiore richiesta di dispositivi con caratteristiche miracolose (maggiore rendimento, basso rumore, bassa dissipazione, minor peso, alta risoluzione, alta velocità, alta frequenza).

Martina Esposito è una ricercatrice dell’Institut Néel di Grenoble (Francia) che si occupa di sviluppare dispositivi elettronici basati su circuiti quantistici superconduttori. Esposito studia le possibili applicazioni e le potenzialità di questi circuiti nella costruzione di amplificatori superconduttivi con un bassissimo rumore intrinseco.

Nome: Martina Esposito
Età: 31 anni
Nata a: Maddaloni (CE)
Vivo a: Grenoble (Francia)
Dottorato in: fisica (Trieste)
Ricerca: Amplificatori superconduttivi basati su giunzioni Josephson.
Istituto: Circuits électroniques quantiques Alpes – QuantECA, Institut Néel – CNRS (Grenoble, Francia)
Interessi: ginnastica artistica, passeggiare nella natura
Di Grenoble mi piace: le montagne e la natura
Di Grenoble non mi piace: il formaggio di capra sulla pizza
Pensiero: L’interessante è nelle imperfezioni.

Quali sono le caratteristiche di un amplificatore in ambito quantistico?

Molte tecnologie a base quantistica dipendono dalla capacità di rilevare e amplificare segnali estremamente deboli, di pochi fotoni, nel range spettrale delle microonde. Il limite attuale degli amplificatori presenti in commercio è che, anche i migliori esistenti, hanno un rumore intrinseco molto alto che andrebbe a coprire il segnale quantistico da misurare, rendendo il dispositivo non adatto per questo tipo di tecnologie.

Nel mio laboratorio sto sviluppando amplificatori all’avanguardia basati su superconduttori, quindi su materiali in cui è possibile avere un flusso di corrente in assenza di dissipazione. Grazie a questa proprietà è possibile creare dei dispositivi di amplificazione che mantengono alto il guadagno ma hanno un rumore intrinseco bassissimo, ovvero il minimo rumore che si può raggiungere e viene detto rumore quantistico.

Un altro elemento fondamentale degli amplificatori è la temperatura alla quale devono operare. La superconduttività si presenta attorno allo zero assoluto (0 K= -273.15 °C) e i metalli che usiamo nei nostri dispositivi, come l’alluminio o il niobio, diventano superconduttivi sotto 1 K. Tuttavia 1 K non è abbastanza, perché il rumore termico può coprire il segnale quantistico da analizzare. Perciò, tutti i dispositivi che sviluppiamo lavorano a temperature più basse, a 10 mK, e sono prodotti in opportuni refrigeratori a diluizione.

Come vengono costruiti questi amplificatori?

Sfruttiamo le tecniche litografiche: partiamo da un substrato di silicio, grande qualche centimetro e con spessore di alcuni millimetri, su cui evaporiamo l’alluminio e disegniamo il circuito elettronico.

Oltre ai classici elementi dei circuiti, questi microchip hanno un componente aggiuntivo fondamentale che è la giunzione Josephson. Una giunzione Josephson ha la forma di un sandwich, con due superconduttori separati da un sottile strato isolante fatto di ossido di alluminio. In un microchip di 1 cm mettiamo circa duemila giunzioni Josephson in serie, a creare una vera e propria linea di trasmissione.

La particolarità delle giunzioni Josephson sta nel fatto che i portatori di carica riescono a passare da un conduttore all’altro e, quindi, ad attraversare la barriera isolante grazie a un effetto puramente quantistico che è l’effetto tunnel. Un’altra caratteristica interessante, è che si comportano come induttanze non lineari e ciò può essere sfruttato per moltissime applicazioni, tra cui l’amplificazione di un segnale.

Come avviene l’amplificazione?

Sfruttiamo l’interazione con un’onda che chiamiamo pompa.
Amplificare un segnale debolissimo di pochi fotoni, mantenendo il rumore bassissimo, vuol dire prendere l’energia da qualche parte: nel nostro caso, la prendiamo da un’altra onda elettromagnetica che pompa l’amplificatore a una certa frequenza nel range delle microonde. Grazie alla non linearità dell’amplificatore, i fotoni della pompa vengono convertiti nei fotoni alla frequenza del segnale che si vuole amplificare.

Gli amplificatori basati su giunzioni Josephson sono molto difficili da sviluppare, oltre a noi di Grenoble ci sono solo altri due gruppi che se ne occupano, uno al MIT e uno a Berkeley. Il vantaggio rispetto agli amplificatori presenti in commercio è che lavorano alla stessa temperatura dei dispositivi quantistici, mostrano un’amplificazione molto alta e hanno un rumore limitato soltanto al rumore quantistico.

Adesso stiamo cercando di migliorarne le performance e il design. Con performance intendo il guadagno, cioè il fattore di amplificazione, la larghezza di banda, cioè in che banda spettrale posso amplificare, e il rumore. Noi siamo riusciti a ottenere amplificatori che lavorano in una regione di circa 3 GHz e attualmente non ci sono bande più grandi di questa.

Per il design, invece, l’obiettivo è riuscire a semplificare il processo di fabbricazione in modo che sia possibile riprodurlo in tutti i laboratori.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

In futuro vorrei usare l’amplificatore non solo per amplificare un segnale di interesse ma per generare una radiazione puramente quantistica.
Siccome sono coinvolti processi di conversione di energia a diverse frequenze, teoricamente (è stato proposto ma non ancora dimostrato) l’amplificatore può generare una radiazione puramente quantistica ovvero una radiazione che si può descrivere come uno stato entangled tra diverse frequenze. L’entanglement quantistico è un fenomeno per cui due oggetti sono quantisticamente correlati e non si può conoscere l’uno senza l’altro.

L’idea è usare questo stato entangled per trasmettere informazioni nello spettro delle microonde e iniziare a sviluppare stati quantistici fotonici. È una cosa molto interessante perché i qubit superconduttivi lavorano nelle microonde e l’amplificatore potrebbe diventare una sorgente di radiazione quantistica a queste frequenze.