Con il termine microKIDs (microwave Kinetic Inductance Detectors) si indicano rivelatori superconduttori, di fotoni a bassa energia (nell’intervallo dei meV). Un KID consiste in una sottile striscia di materiale superconduttore che, grazie alla sua geometria, forma un circuito risonante. I fotoni incidenti rompono le coppie di elettroni (coppie di Cooper) presenti sulla superficie del superconduttore, determinando una variazione dell’impedenza superficiale (in particolare dell’induttanza cinetica) del superconduttore. Questa variazione si traduce a sua volta in variazioni della frequenza di risonanza del rivelatore [Yates et al., 2009]. Tali rivelatori presentano un grosso potenziale nell’esplorazione del lontano infrarosso e della banda di lunghezza d’onda 10-1000µm: tali grandezze sono di fondamentale importanza in quanto contengono un gran numero di informazioni sull’evoluzione e la formazione delle galassie, delle stelle e dei sistemi planetari [Calvo et al., 2010]. Uno degli obiettivi dei moderni rivelatori nell’infrarosso lontano è quello di fornire un’immagine [Hollister et al., 2010]. Per questo è necessario costruire matrici di rivelatori (da diverse centinaia fino ad alcune migliaia). In questo i KIDs, in cui ogni elemento è identificato dalla propria frequenza di risonanza, sono molto vantaggiosi: un unico conduttore può trasportare la somma delle frequenze necessarie (una per risuonatore) e prelevare il segnale di risposta di tutti i risuonatori, permettendo di realizzare un rivelatore compatto. Minimizzare il numero di conduttori verso l’esterno è fondamentale a basse temperature, dove ogni conduttore rappresenta una fuga termica verso l’ambiente. Benché il progetto geometrico dei risuonatori identifichi rigorosamente le frequenze di risonanza, la loro realizzazione fisica introduce errori; sono errori piccoli (decine di kHz su 3 GHz) ma non possono essere accettati a causa dell’alto Q dei risuonatori (≈105). Per questo il pettine di frequenze deve essere adattato ad ogni singola matrice di rivelatori. Il requisito fondamentale del generatore delle frequenze di eccitazione sarà quello di consentire una facile sintonizzazione dei toni generati. Il lavoro qui presentato, che nasce dalla collaborazione tra l’LNTS (Laboratorio Nuove Tecnologie e Strumenti) dell’INGV e il Dipartimento di Fisica dell’Università di Roma “La Sapienza”, descrive lo strumento realizzato per fornire il pettine di frequenze (nella banda 0 – 20 MHz), facendo riferimento ad un sistema sperimentale per otto risuonatori. In tale sistema il pettine di frequenze verrà traslato nella banda di frequenza dei KIDs (nell’ordine dei GHz) per poterne effettuare l’eccitazione e quindi riportato nella banda iniziale per effettuarne l’acquisizione e l’analisi.
Con il termine microKIDs (microwave Kinetic Inductance Detectors) si indicano rivelatori superconduttori, di fotoni a bassa energia (nell’intervallo dei meV). Un KID consiste in una sottile striscia di materiale superconduttore che, grazie alla sua geometria, forma un circuito risonante. I fotoni incidenti rompono le coppie di elettroni (coppie di Cooper) presenti sulla superficie del superconduttore, determinando una variazione dell’impedenza superficiale (in particolare dell’induttanza cinetica) del superconduttore. Questa variazione si traduce a sua volta in variazioni della frequenza di risonanza del rivelatore [Yates et al., 2009]. Tali rivelatori presentano un grosso potenziale nell’esplorazione del lontano infrarosso e della banda di lunghezza d’onda 10-1000µm: tali grandezze sono di fondamentale importanza in quanto contengono un gran numero di informazioni sull’evoluzione e la formazione delle galassie, delle stelle e dei sistemi planetari [Calvo et al., 2010]. Uno degli obiettivi dei moderni rivelatori nell’infrarosso lontano è quello di fornire un’immagine [Hollister et al., 2010]. Per questo è necessario costruire matrici di rivelatori (da diverse centinaia fino ad alcune migliaia). In questo i KIDs, in cui ogni elemento è identificato dalla propria frequenza di risonanza, sono molto vantaggiosi: un unico conduttore può trasportare la somma delle frequenze necessarie (una per risuonatore) e prelevare il segnale di risposta di tutti i risuonatori, permettendo di realizzare un rivelatore compatto. Minimizzare il numero di conduttori verso l’esterno è fondamentale a basse temperature, dove ogni conduttore rappresenta una fuga termica verso l’ambiente. Benché il progetto geometrico dei risuonatori identifichi rigorosamente le frequenze di risonanza, la loro realizzazione fisica introduce errori; sono errori piccoli (decine di kHz su 3 GHz) ma non possono essere accettati a causa dell’alto Q dei risuonatori (≈105). Per questo il pettine di frequenze deve essere adattato ad ogni singola matrice di rivelatori. Il requisito fondamentale del generatore delle frequenze di eccitazione sarà quello di consentire una facile sintonizzazione dei toni generati. Il lavoro qui presentato, che nasce dalla collaborazione tra l’LNTS (Laboratorio Nuove Tecnologie e Strumenti) dell’INGV e il Dipartimento di Fisica dell’Università di Roma “La Sapienza”, descrive lo strumento realizzato per fornire il pettine di frequenze (nella banda 0 – 20 MHz), facendo riferimento ad un sistema sperimentale per otto risuonatori. In tale sistema il pettine di frequenze verrà traslato nella banda di frequenza dei KIDs (nell’ordine dei GHz) per poterne effettuare l’eccitazione e quindi riportato nella banda iniziale per effettuarne l’acquisizione e l’analisi.
ABSTRACTQuesto lavoro introduce un’estensione del modello di interazione fotone–elettrone (versione 3.0),proponendo una reinterpretazione fisica esplicita del ruolo della misura nei fenomeni diinterferenza.Il punto di partenza è il riconoscimento che la fenditura non rappresenta una regione di vuoto, mauna zona delimitata da materia, in cui gli elettroni esterni del materiale definiscono un campoelettromagnetico reale e distribuito nello spazio. È proprio questa configurazione elettronicasuperficiale — dinamica e non uniforme — a costituire il sistema con cui il campo del fotoneinteragisce.Nel modello proposto, il fotone non è trattato come una particella puntiforme, ma come unastruttura di campo che attraversa nel tempo una regione caratterizzata da un campo elettronicoorganizzato. Il pattern di interferenza emerge quindi dall’interazione continua tra il campo fotonicoe la distribuzione degli elettroni esterni delle fenditure, che perturbano, ritardano e riconfiguranolocalmente il campo incidente.Per descrivere in modo operativo questa dinamica, viene introdotto un operatore efficace delsistema materiale (scatola grigia), che riassume in forma unificata i processi di scattering,assorbimento, riemissione e interazione elettronica. Questo operatore non è arbitrario, ma dipendedirettamente dalla configurazione elettronica del materiale, e determina la trasformazione del campoincidente in uscita e quindi la formazione del pattern osservato.All’interno di questa struttura, la misura viene reinterpretata come un’interazione elettromagneticareale che agisce sulla regione della fenditura prima del passaggio del fotone. Il campo introdottodallo strumento modifica la distribuzione degli elettroni esterni, alterando il campo elettronicolocale. Di conseguenza, il fotone attraversa un sistema già riconfigurato, e il pattern risultanteriflette questa nuova condizione fisica. La perdita di interferenza non è quindi un effetto postulato,ma la conseguenza diretta della modifica del sistema elettronico.Questo porta a un cambio di prospettiva: la misura non rappresenta più un problema interpretativo,ma diventa una risorsa fisica. Il pattern osservato contiene informazione sulla risposta del sistema e,attraverso un processo di reverse engineering, è possibile risalire alla configurazione del campoelettronico efficace e quindi alle proprietà del materiale.Il lavoro definisce inoltre una struttura algoritmica preliminare, base del modello 4.0, in cui ilprocesso viene descritto come una pipeline dinamica che coinvolge campo incidente, operatoremateriale e risposta osservabile. I risultati preliminari indicano coerenza con i fenomeni noti esuggeriscono la possibilità di utilizzare l’interferenza come strumento di analisi della strutturaelettronica dei materiali.Questa estensione non sostituisce i modelli esistenti, ma propone una descrizione esplicita delmeccanismo fisico locale, collegando interferenza, misura e proprietà dei materiali all’interno diun’unica struttura coerente.
Questo progetto intende fornire una soluzione di natura elettronica al problema dell'individuazione di due eventi che si manifestano in istanti temporali molto ravvicinati tra loro. Piu precisamente, parliamo di segnali elettrici con determinate caratteristiche di intensita e durata, provenienti, dopo la necessaria conversione, da un sistema di tipo quantistico.
Il lavoro svolto e la continuazione e l'ampliamento di quanto precedentemente realizzato dai colleghi Marco Pezzini e Andrea Merlin nell'ambito della loro tesi di laurea;
l'ambiente in cui e stato sviluppato e il Laboratorio Luxor dell'Universita di Padova, all'interno del quale e stato possibile accedere a tutta la strumentazione necessaria per i test sperimentali.
In questo elaborato si vuole dare una visione il piu possibile ad ampio raggio dell'argomento di interesse. Introdurremo i concetti di meccanica quantistica, fondamentali per comprendere il contesto in si opera, e quindi passeremo a descrivere
il fenomeno sico, l'entanglement, di cui ci proponiamo di realizzare uno strumento di misura. Dalla dimensione ottica, nota la procedura di conversione dei fotoni in segnali elettrici, sposteremo la nostra attenzione alle metodologie che permettono la rivelazione di intervalli temporali molto brevi e, dopo aver motivato la scelta dell'hardware adatto alle nostre esigenze e averne elencato le funzionalita, partiremo con la descrizione del progetto vero e proprio. Seguira un capitolo dedicato ai test sperimentali eseguiti per valutare qualita e punti deboli del dispositivo realizzato e, in ne, verranno tratte le dovute conclusioni prospettando nuovi scenari che permettano
di risolvere eventuali problemi rimasti irrisolti e migliorare le prestazioni complessive del sistema sviluppato
ABSTRACT Questo lavoro nasce da una ricostruzione progressiva del processo di rivelazione del fotone, sviluppata a partire da una domanda fisica semplice ma decisiva: che cosa accade realmente quando il campo associato al fotone incontra un elettrone e produce, oppure non produce, un evento registrabile?Nel quadro qui proposto, il fotone non viene trattato come una particella puntiforme né come un oggetto che oscilla localmente. Viene descritto come una distribuzione energetica di campo in propagazione. L’andamento ondulatorio usato nella formulazione non rappresenta una “pallina che vibra”, ma la lettura locale del profilo del campo quando esso attraversa una finestra elettronica di interazione.La finestra non appartiene al fotone. Appartiene al sistema elettronico di risposta. Il campo attraversa la finestra; il sistema elettronico accumula energia efficace; il rivelatore registra solo se tale energia supera una soglia. Questo passaggio è il cuore del modello: il click non è il punto di partenza, ma il punto di arrivo di una dinamica fisica locale.L’elettrone viene quindi interpretato come sistema locale dinamico, non come bersaglio statico. La sua risposta dipende dal tempo utile di interazione, dalla fase con cui il profilo del campo entra nella finestra, dalla densità energetica efficace disponibile e dalla soglia energetica del sistema. L’incontro tra campo fotonico ed elettrone non è un punto geometrico perfetto, ma un processo locale nel quale solo una parte del profilo del campo contribuisce all’energia effettivamente accumulata. La catena fondamentale del modello è:campo in propagazione → finestra elettronica → energia integrata → soglia → click → conteggioLa probabilità non viene introdotta come postulato iniziale. Emerge dal conteggio delle configurazioni di fase φ che superano la soglia energetica E_c. Il campionamento della fase non è un artificio statistico esterno, ma nasce dalla dinamica stessa dell’incontro: il profilo locale del campo può entrare nella finestra elettronica in configurazioni diverse, e non tutte producono lo stesso accumulo energetico.Il caso di riferimento 50/50, associato alla lunghezza d’onda λ₀, viene usato per fissare la scala operativa della finestra e la soglia del sistema. In tale condizione, metà delle configurazioni produce click e metà no. La soglia E_c viene definita come mediana della distribuzione degli integrali energetici nella finestra. Dopo questa calibrazione, E_c e Δt_c restano fissi: non vengono ricalcolati nei test successivi. Questo vincolo impedisce ricalibrazioni nascoste e permette di verificare se i risultati derivino davvero dalla struttura del modello. La formulazione operativa utilizza il campo locale nella finestra:y(t, φ, λ) = A(λ) · sin(φ − ωt)con:ω = 2πν = 2πc / λNel blocco numerico, usando unità normalizzate con c = 1, si ottiene:ω = 2π / λL’ampiezza energetica efficace viene descritta da:A(λ)² = (λ₀ / λ)²In questa impostazione, A(λ)² non viene confusa con l’energia totale del fotone. La relazione standard:E = hν = hc / λfornisce il legame fondamentale tra energia e frequenza, mentre A(λ)² rappresenta la densità energetica efficace disponibile nella finestra elettronica normalizzata. Il modello distingue quindi tra energia totale associata alla frequenza del fotone ed energia localmente disponibile per la risposta elettronica.L’energia locale è:w(t, φ, λ) = y(t, φ, λ)²Il segno del campo non implica cancellazione energetica: la semionda superiore e la semionda inferiore contribuiscono entrambe all’energia, perché l’energia locale dipende dal quadrato del campo. L’energia accumulata nella finestra elettronica è:E_acc(φ, λ) = ∫₀^Δt_c [A(λ)² · sin²(φ − ωt)] dtLa condizione di evento è:E_acc ≥ E_cLa probabilità emergente è:P_event = numero di click / numero totale di campioniIl modello viene verificato attraverso quattro blocchi principali di test numerici. Il primo studia la dipendenza dalla lunghezza d’onda λ: quando λ diminuisce, il campo risulta più concentrato nella finestra elettronica e l’energia efficace integrata aumenta; il sistema tende quindi alla saturazione. Quando λ aumenta, l’energia integrata diminuisce e il sistema tende allo spegnimento. Il caso λ = λ₀ conserva il riferimento 50/50. Il secondo test introduce la polarizzazione come proiezione geometrica del campo nella finestra. La componente energetica utile viene ridotta secondo cos²(θ), ma la probabilità di click non viene imposta uguale a cos²(θ): emerge ancora dal confronto tra energia integrata e soglia E_c.Il terzo test applica la stessa catena all’interferenza e alla doppia fenditura. La regola fondamentale è che non si sommano probabilità e non si sommano prima energie separate. Si sommano prima i campi, poi si calcola il quadrato, poi si integra nella finestra elettronica e infine si applica la soglia. In questo modo, l’interferenza e la figura della doppia fenditura emergono dalla somma dei contributi di campo che arrivano nella stessa finestra di risposta.Il quarto test mostra il ruolo del rivelatore come sistema a soglia. A parità di campo, finestra e geometria, modificare la soglia modifica la figura osservata, senza che il rivelatore crei il campo. Il rivelatore seleziona quali configurazioni diventano eventi registrati.Vengono inoltre eseguiti due controlli finali. Il controllo di robustezza numerica verifica che i risultati non dipendano dal numero di campioni N usato per la fase φ. Il controllo di coerenza globale verifica che tutti i risultati derivino dalla stessa catena operativa, senza introdurre finestre nuove, soglie ricalcolate o parametri liberi dopo i risultati.Il risultato complessivo è un quadro nel quale la misura viene interpretata come processo fisico locale: il campo in propagazione porta una distribuzione energetica, la finestra elettronica seleziona la parte utile, l’energia viene integrata nel tempo di risposta, la soglia decide se l’evento viene registrato e la probabilità emerge dal conteggio delle configurazioni che superano tale soglia.In questa prospettiva, il click non è un mistero iniziale né una probabilità calata dall’alto. È l’esito finale di una catena fisica: campo, finestra, energia, soglia, evento. Il modello Multibolla viene qui applicato come struttura concettuale e operativa per trasformare l’intuizione geometrica del campo in una formulazione matematica verificabile.Bell ed entanglement non vengono trattati in questo paper. Restano esclusi dal nucleo attuale e sono riservati a un lavoro successivo separato.
Le tecnologie che sfruttano le proprieta della meccanica quantistica possono essere considerate il prossimo passo piu significativo nell'evoluzione della scienza dell'informazione e delle telecomunicazioni, considerando che quello precedente e stato lo sviluppo dei micro-transistor e delle comunicazioni wireless (senza fili). Teoricamente, persino i computer quantistici di piccole dimensioni potrebbero superare, in quanto a prestazioni, i piu grandi e potenti supercomputer, cosi come le telecomunicazioni quantistiche potrebbero consentire, in modo assolutamente sicuro, nonche senza il minimo rischio di perdita, lo scambio ultra-veloce di informazioni, perfino sulle piu lunghe distanze. Naturalmente, l'importanza di tali tecnologie ha comportato negli ultimi due decenni un grande impiego, da parte di istituzioni sia pubbliche che private, di risorse nel campo della ricerca e dello sviluppo, dando adito ad importantissimi sviluppi tecnologici e scoperte scientifiche.
Tuttavia, ad oggi nessuna di queste tecnologie e stata dimostrata su una piattaforma completa, autonoma e puramente quantistica. Questo in parte poiche la natura quantistica del mondo non e stata ancora compresa appieno ed i suoi principi basilari insinuano il dubbio nella comunita scientifica; in parte poiche le tecnologie odierne non sono in grado di supportare complicati processi quantistici. Una soluzione per entrambe le suddette questioni e stata proposta per essere messa in atto da simulatori, in grado di simulare o performare semplici imput quantistici, utilizzando cosi una piattaforma che potrebbe potenzialmente far intuire meglio la natura della teoria quantistica, ed allo stesso tempo dimostrerebbe il potenziale delle applicazioni quantistiche.
In questa tesi, il femtosecond laser micromachining e stato utilizzato per realizzare circuiti fotonici integrati, che permettono di propagare, controllare e modificare singoli fotoni, in substrati di vetro. Questa tecnologia permette di sviluppare in maniera semplice complicati strumenti ottici, i simulatori quantici, designati all'emulazione di processi quantici attraverso l'uso di singoli fotoni. In particolare, questo esperimento, che e la dimostrazione di una vera e propria simulazione fotonica quantistica, ha permesso per la prima volta di raggiungere l'obiettivo di simulare l'evoluzione di multiple eccitazioni in una catena di spin (catena di rotazione). Un esperimento che testa la proprieta fondamentale del quanto nel contesto della fisica quantistica, dimostrando l'importanza della piattaforma nell'indagine dei fondamentali concetti della fisica. Inoltre, e stato condotto con successo un esperimento sullo sviluppo di un set completo di componenti integrate di processi di polarizzazione per la lunghezza d'onda delle telecomunicazioni. Ed infine sono stati raggiunti significanti miglioramenti nel processo della fabbricazione, permettendo la realizzazione di waveguide arrays (schieramenti d'onda) per i percorsi di quanti multiparticellari.
La crescita delle tecnologie quantistiche e l’introduzione del Quantum Computing stanno aumentando in modo significativo l’uso di segnali a microonda e della relativa componentistica all’interno di sistemi criogenici. L’avanzamento di queste tecnologie richiede una miglior conoscenza e capacità di controllo in-situ dei segnali elettrici utilizzati per controllare circuiti quantistici rispetto allo stato dell’arte. Attualmente, le competenze metrologiche per realizzare misure affidabili in un sistema criogenico non sono sufficienti per soddisfare le esigenze della comunità scientifica in questo settore. Ad esempio, l’uso di computer quantistici basati su qubit superconduttivi richiede la capacità di generare forme d’onda arbitrarie di elevatissima precisione ed accuratezza, di frequenza fino a 10 GHz. D’altro canto, la componentistica a microonde utilizzata per queste applicazioni deve rispettare criteri stringenti e sono richieste capacità di misura di elevata precisione ed accuratezza anche in questi ambienti estremi. La misura di grandezze critiche quali i parametri di Scattering o la potenza elettromagnetica pone diversi problemi quali l’impossibilità ad accedere ai dispositivi sotto misura e la temperatura drammaticamente diversa rispetto a quella dei campioni primari di riferimenti che sono realizzati a temperatura ambiente. Il progetto SuperQuant si propone di ridefinire l’attuale stato dell’arte per affrontare queste esigenze.
Il concetto di trasformazione tra sistemi di riferimento e racchiuso nell'idea di simmetria. Definiti, nel primo capitolo, i concetti di simmetria fisica e algebrica, si osserva come in meccanica quantistica ogni simmetria algebrica possa essere estesa ad una simmetria fisica. Usando alcuni risultati della teoria delle rappresentazioni, brevemente esposti nel secondo capitolo, verra affrontato l'argomento principale del lavoro di tesi: la ricerca di una descrizione quanto-meccanica della fisica in sistemi di riferimento non inerziali. Nel terzo capitolo si propone un'analisi della generalizzazione del gruppo delle rototraslazioni: un gruppo di dimensione infinita ad un parametro, chiamato gruppo lineare euclideo. Trovati i generatori del gruppo ad un parametro si costruiscono gli operatori unitari associati: essi, agendo sull'hamiltoniana, danno luogo a termini analoghi alle forze fittizie nell'equazione di Schroedinger. Viene infine proposta una discussione dei termini aggiuntivi che appaiono nell'hamiltoniana e della loro relazione con la presenza di un potenziale gravitazionale.
Dall'analisi risulta che il prinipio di equivalenza, illustrato nell'introduzione, viene generalmente violato in meccanica quantistica.