C’è un po’ di ricerca trentina all’Expo 2022. Si tratta di un brevetto messo a punto dal laboratorio congiunto Q@TN - Quantum Science and Technology in Trento.
Il laboratorio sta diventando un punto di riferimento importante, anche a livello europeo, in questo campo di studi oggi così attrattivo, tanto che si parla di seconda rivoluzione quantistica. A questo proposito abbiamo sentito Lorenzo Pavesi, professore del Dipartimento di Fisica e direttore di Q@TN – Quantum Trento.
Professor Pavesi, ci può accennare brevemente cosa sono le scienze e le tecnologie quantistiche?
Nel secolo scorso l’introduzione della meccanica quantistica ha portato a una maggiore comprensione del funzionamento della natura e a mettere a punto dispositivi come il transistor nel 1947 e il laser nel 1960. Da lì è iniziato lo sviluppo delle tecnologie che sono alla base di internet e della società dell’informazione di oggi. Quello che si sta cercando di fare adesso è di studiare e di utilizzare le proprietà peculiari della fisica quantistica per la messa a punto di dispositivi e tecnologie avanzate.
I principi che sono alla base della meccanica quantistica ci permettono di sviluppare dispositivi e tecnologie che, in termini di risoluzione e di sensibilità, hanno delle prestazioni che non sono raggiungibili utilizzando le tecniche classiche.
Queste tecnologie si basano sul comportamento granulare della materia: la natura non è fatta di un continuum, ma ha una struttura intrinseca granulare (i quanti). Per fare solo un esempio, la luce è formata da pacchetti di energia (i fotoni) che hanno una doppia natura ondulatoria e corpuscolare.
Inoltre per la meccanica quantistica vale il principio di sovrapposizione, per cui un oggetto si può trovare contemporaneamente in due stati, e solo nel momento della misura collassa su di uno stato definito. L’esempio classico è quello del gatto di Schrödinger che, all’interno di una scatola chiusa, si trova contemporaneamente in uno stato di gatto vivo e in uno stato di gatto morto. Solo quando andiamo a vedere dentro la scatola sapremo se il gatto è vivo o è morto.
Un’altra proprietà peculiare è quella dell’entanglement, una strana correlazione tra oggetti quantistici che si mantiene anche a distanza, tanto che Einstein parlò di una “azione fantasma”. Questa è una proprietà per cui due particelle quantistiche sono correlate e, indipendentemente dalla distanza che le separa, un’azione su di una si ripercuote anche sull’altra.
Questi principi sono alla base di una serie di nuovi dispositivi fra cui il computer quantistico che permette di svolgere alcuni calcoli a una velocità esponenzialmente superiore a quella del computer classico. A differenza del computer classico che utilizza i bit (il cui valore è zero o uno), il computer quantistico utilizza i qubit (bit quantistici che sono una sovrapposizione tra zero ed uno). In questo modo, riesce a fare contemporaneamente le varie operazioni su tutti i valori compresi tra uno e zero e solamente alla fine del calcolo una misura dei qubit mi darà il risultato.
Il laboratorio Q@TN è nato dalla collaborazione fra diversi istituti di ricerca e sta crescendo. Ce ne può parlare?
Il laboratorio è nato nel 2018 attraverso un accordo tra l’Università, la Fondazione Bruno Kessler (FBK) e il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) con l’obiettivo di mettere a fattore comune le singole attività di ricerca presenti sul territorio in questo settore. Ha ottenuto un primo finanziamento sostanzioso da parte della Provincia autonoma di Trento e della Fondazione Caritro con il quale è stato promosso un programma transdisciplinare di dottorato in Scienze e tecnologie quantistiche.
In seguito al successo di questa prima fase, nel 2021 abbiamo rinforzato l’iniziativa attraverso la creazione di un laboratorio congiunto tra Università, Fondazione Bruno Kessler, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e CNR.
Questa nuova iniziativa, nata da un accordo tra realtà locali e nazionali, mette insieme le conoscenze, le competenze e le facilities trentine con gli interessi e le attività di ricerca nazionali; ha come assi portanti la ricerca di eccellenza, la formazione di professionisti nelle scienze e tecnologie quantistiche e l’innovazione.
Un aspetto interessante di questa iniziativa, che raccoglie ricercatori e ricercatrici che vengono da istituti e da esperienze differenti, è l’approccio di tipo bottom up che favorisce la collaborazione spontanea.
Quali sono i principali settori di ricerca?
Come laboratorio copriamo i vari settori nei quali si declinano le scienze e tecnologie quantistiche dalla ricerca fondamentale fino alla ricerca applicata. Lavoriamo nel settore dello sviluppo di algoritmi quantistici per varie applicazioni, per esempio in ambito farmaceutico o della scienza dei materiali. I ricercatori trentini sono tra i pochi europei che hanno ottenuto del tempo macchina sui computer quantistici più potenti fabbricati dalle grandi multinazionali del settore.
Abbiamo anche progetti nel campo della comunicazione sicura con protocolli di scambio di chiave quantistica; altri progetti riguardano lo sviluppo di piattaforme di calcolo basate su atomi freddi, ad esempio nel laboratorio del professor Gabriele Ferrari (Università di Trento), o basati su circuiti fotonici integrati, con un progetto europeo coordinato dal dottor Mher Ghulinyan (Fondazione Bruno Kessler).
Q@TN è anche una palestra per allenarsi alla ricerca. Qual è il contributo di giovani ricercatori e ricercatrici e come incentivate la loro partecipazione?
Fin dall’inizio un aspetto importante di Quantum Trento è stato il finanziamento di borse di ricerca di dottorato su progetti congiunti degli enti partecipanti. Al momento abbiamo una trentina di giovani ricercatrici e ricercatori che partecipano al percorso transdisciplinare in Quantum Science and Technology, tra diverse scuole di dottorato del nostro Ateneo.
Stiamo cercando di promuovere un nuovo corso di laurea magistrale in Quantum engineering, che ha l’obiettivo di formare professionisti e professioniste del settore. Per far comprendere l’importanza di formarsi in questo settore e di farlo a Trento, stiamo inoltre organizzando una Spring school: Quantum Science and Technologies che si terrà a Trento in aprile.
Qual è l’impatto sul territorio di questo progetto?
Il laboratorio vuole essere un volano di sviluppo per l’industria del settore e ci stiamo muovendo sia a livello locale che nazionale. Stiamo stipulando accordi quadro con grosse aziende (ne abbiamo già firmato uno con Atos Italia) che hanno interesse a sviluppare questo tipo di tecnologia.
A livello locale cerchiamo di incoraggiare le aziende del territorio con l’offerta di competenze e know how, e con la promozione di iniziative che stiamo realizzando insieme a HIT – Hub Innovazione Trentino per aumentare la consapevolezza su queste tematiche all’interno del mondo imprenditoriale trentino. L’idea è quella di riuscire a realizzare un ecosistema che dalla ricerca di base arriva fino alla realizzazione di prototipi da industrializzare all’interno delle aziende locali.
Un vostro brevetto è stato selezionato per l’Expo 2022. Di cosa si tratta?
Il brevetto si propone di realizzare un generatore di codici per la crittografia (chiavi) la cui sicurezza è certificata dalla meccanica quantistica. Si sfrutta l’entanglement e si generano chiavi con singoli fotoni in un circuito integrato. In questo modo, lo scambio di chiavi sicure non può essere intercettato senza che gli utenti se ne accorgano. Così si garantisce una comunicazione privata che rimane tale anche in presenza di attacchi con computer quantistici. Inoltre, l’uso di circuiti integrati rende il sistema compatto, leggero e a portata di tutti. Il fatto che si codifichi la chiave con la luce permette la sua condivisione con fibre ottiche con tutti i vantaggi che ne derivano. Al momento stiamo cercando finanziatori per realizzare una start-up che abbiamo chiamato SPEQK, dove la Q indica che la meccanica quantistica ne sta alla base.
Q@TN: Quantum sciences and technologies in Trento
From research to prototyping. An interview with Lorenzo Pavesi
by Marinella Daidone
Research made in Trentino will be on display at Expo 2022, with a patent developed by the joint laboratory Q@TN - Quantum Science and Technology in Trento.
The laboratory has become an important point of reference, including at European level, in this cutting edge research area that has opened the way to a second quantum revolution. We have interviewed Lorenzo Pavesi, professor of the Department of Physics and director of Q@TN, to ask him a few questions about these developments.
Professor Pavesi, how would you describe quantum science and technology?
The discovery of quantum mechanics, in the last century, led to a greater understanding of the functioning of nature and to the invention of devices such as transistors in 1947 and laser in 1960. This laid the foundations for the development of the technologies that opened the way to the Internet and information society. What we are trying to do now is to study and exploit the fundamental properties of quantum physics to develop advanced devices and technologies.
Using the basic principles of quantum mechanics, we can develop devices and technologies that perform better than classical ones in terms of resolution and sensitivity.
These technologies are based on the granular behaviour of matter: nature is not a continuum, but has an intrinsic granular structure (quanta). Light, for example, is made up of energy packets (photons) that have both a wave and a corpuscular nature.
Furthermore, in quantum mechanics, based on the principle of superposition, an object can be simultaneously in two states, and only when a measurement is performed it collapses in one state. This is best explained by the famous Schrodinger's cat experiment: a cat, placed in a closed box, can be simultaneously both alive and dead. Only when we look inside the box we will know if the cat is alive or dead.
Another key property of quantum mechanics is entanglement, which describes a strange correlation between quantum objects that is maintained even at a distance, which Einstein called a "spooky action". This is a property for which two quantum particles are related and, irrespective of the distance between them, an action on one also affects the other.
These principles are at the basis of a series of new devices including the quantum computer, that performs some calculations at an exponentially faster speed than classical computers. Unlike classical computers that use bits (whose value is zero or one), the quantum computer uses qubits (quantum bits, can be both one and zero or a superposition of one and zero at the same time). In this way, quantum computers can perform multiple operations simultaneously on all the values between one and zero, and the results will only be found at the end of the calculation by a measurement on the qubits.
The Q@TN laboratory has been established as a collaboration between several research institutes and is growing. Tell us about it.
The laboratory was established in 2018 through an agreement between the University, Fondazione Bruno Kessler (FBK) and the National Research Council (CNR) to leverage on the different local research activities in this field. The laboratory received substantial funding from the Autonomous Province of Trento and Fondazione Caritro, which made it possible to launch a transdisciplinary PhD programme in quantum science and technology.
After this successful first phase, in 2021 we made one step forward and created a joint laboratory that brings together the University, Fondazione Bruno Kessler, the National Institute of Nuclear Physics (INFN) and CNR.
This new collaboration, that unites local and national organizations, combines the knowledge, skills and facilities of Trentino with national interests and research activities. Its cornerstones are excellence in research, the education of professionals in quantum sciences and technologies, and innovation.
An interesting aspect of this initiative, which brings together researchers from different institutes and backgrounds, is the bottom-up approach that facilitates collaboration.
What are the main areas of research of the laboratory?
As a laboratory, we cover the various sectors in which quantum sciences and technologies are applied, from basic research to applied research. We work in the development of quantum algorithms for different applications, for example in the pharmaceuticals sector and in materials science. Our researchers are among the few in Europe who have obtained some machine time on the most powerful quantum computers owned by the large multinationals.
We have some ongoing projects in secure communication with quantum key exchange protocols; other projects focus on the development of cold-atom-based calculation platforms, for example in the laboratory led by professor Gabriele Ferrari (University of Trento), and platforms based on integrated photonic circuits, with a European project coordinated by Dr. Mher Ghulinyan (Fondazione Bruno Kessler).
Q@TN also trains young researchers for their future careers. What is their contribution to research and how do you encourage their participation?
One of the core objectives of Quantum@Trento has been to provide funding for PhD programmes within joint research projects with partner institutions. At the moment we have around thirty young researchers who participate in the transdisciplinary programme in Quantum Science and Technology, which involves different doctoral schools of our University.
We are promoting a new master's degree in Quantum engineering, which aims to train professionals in this sector. And we are organising a Spring school: Quantum Science and Technologies, that will take place in April to provide information on the importance of this discipline area and on study opportunities in Trento.
What is the impact of this project at the local level?
The laboratory aims to be a driver for the development of the industry, and we are engaged both locally and nationally. We are entering into agreements with large companies (we have already signed an agreement with Atos Italia) that have an interest in developing this type of technology.
At the local level, we try to encourage local companies by offering them skills and know-how and promoting initiatives that we are carrying out together with HIT - Trentino Innovation Hub to increase awareness of these issues within the local business environment. Our goal is to create an ecosystem that goes from basic research to prototyping that can be industrialized by local companies.
One of your patents has been selected for Expo 2022. What is it about?
The patented invention aims to create a random number generator (to produce secure keys) to be used in cryptography, whose security is certified by quantum mechanics. The technology exploits the entanglement and generates keys through single photons in an integrated circuit. In this way, the exchange of secure keys cannot be detected without users noticing, and communications remain private even when attacks are carried out using quantum computers. Besides, the use of integrated circuits makes the system compact, lightweight and easily accessible. The fact that the key is encoded using photons allows it to be shared by optical fibres with all the advantages that this entails. At the moment, we are looking for investors to develop a start-up that we have called SPEQK, where Q stands for quantum mechanics.
[Traduzione di Paola Bonadiman]