• qubit superconduttori
• RFSoC
• upconversion
• downconversion

Negli ultimi decenni i computer quantistici, basati su fenomeni noti come sovrapposizione degli stati, entanglement e interferenza tra stati, hanno dimostrato di essere potenzialmente in grado di risolvere problemi al di là della capacità dei computer classici.
Per questo motivo l'area di ricerca comunemente indicata come "quantum technologies" è attualmente molto attiva e uno degli aspetti di ricerca più rilevanti consiste nell'ottimizzazione delle operazioni di controllo e di misura dello stato di un qubit, l'unità di informazione quantistica.

I qubit sono implementabili con sistemi quantistici a due livelli come, per esempio: ioni intrappolati, spin nucleari ed elettronici, atomi neutri, fotoni e circuiti superconduttori, basati sull'utilizzo di giunzioni Josephson (JJ). Un particolare tipo di qubit superconduttore è il transmon, sui cui sistemi di controllo e di lettura si è lavorato in questa tesi, in quanto rappresenta una soluzione promettente per la realizzazione di computer quantistici, essendo poco sensibile al rumore di carica.
I sistemi quantistici basati sulla manipolazione dei fotoni a microonde in circuiti superconduttori sono governati dalla cosiddetta circuit quantum electrodynamics (cQED) e sfruttano l'interazione del campo elettromagnetico con i sistemi quantistici per generare ed elaborare informazioni.

L'hardware di controllo dei qubit genera e instrada complesse sequenze di segnali a radiofrequenza (RF) dai componenti elettronici a temperatura ambiente al processore quantistico a temperatura criogenica. Con l'aumentare della complessità e della dimensione dei sistemi quantistici, la generazione di questi segnali diventa un fattore limitante per la scalabilità del sistema. In questo ambito si colloca il presente lavoro di tesi, che propone un sistema per il controllo e la lettura di qubit basato su una piattaforma FPGA di recente sviluppo, RFSoC 4x2 di Xilinx, che integra DAC ad alta velocità, ADC, logica FPGA programmabile e un microprocessore standard nella stessa scheda. Questa scheda, grazie ai DAC RF che operano a tassi di campionamento sufficientemente elevati, consente la sintesi diretta di impulsi già modulati I/Q alla frequenza di qualche GHz e, grazie agli ADC presenti, consente di acquisire, demodulare ed elaborare direttamente a livello software i segnali modulati I/Q di lettura in uscita dalla catena di downconversion. In questo modo è possibile eliminare la necessità di una calibrazione meticolosa dei modulatori e dei demodulatori, in quanto non sono più necessari, semplificando il front-end analogico necessario per le operazioni di up e down conversion.
Per questi motivi un sistema basato su RFSoC rappresenta attualmente la soluzione preferibile, oltre al vantaggio che, utilizzando questa scheda, i tempi di sviluppo dei sistemi quantistici si riducono.

Nella prima parte della tesi si è sviluppato il software necessario per la generazione, dalla scheda RFSoC disponibile, degli impulsi gaussiani modulati I/Q necessari per il controllo e la lettura dello stato di un qubit. Questi segnali sono stati caratterizzati grazie alla loro acquisizione con l’oscilloscopio disponibile in laboratorio, che ha il limite di frequenza di funzionamento a 1 GHz.

In seguito si è iniziata la realizzazione del front-end analogico necessario nelle catene di up e down conversion per traslare, rispettivamente, in alto le frequenze degli impulsi modulati I/Q generati dalla scheda nel range tipico delle frequenze dei qubit (5-9 GHz) e in basso la frequenza dei segnali di lettura alle frequenze di lavoro della scheda RFSoC.
La fase sperimentale del lavoro di tesi si è incentrata sulla realizzazione pratica e sulla caratterizzazione dell'oscillatore locale a frequenza variabile programmabile tra 54 MHz e 13.6 GHz, fondamentale per le operazioni appena descritte, dal punto di vista della potenza di uscita e del rumore di fase.
Dato che i risultati ottenuti non erano coerenti con i dati forniti dal costruttore, si è ritenuto necessario fare un confronto tra le prestazioni del circuito realizzato e quelle della evaluation board dell'integrato, effettuando le medesime prove. La scheda di valutazione ha riportato come unico vantaggio sostanziale rispetto al sistema sviluppato nella tesi quello di avere un rumore di fase migliore soltanto per frequenze che si trovano a circa 100 Hz dalla portante. Dopo un'analisi delle fonti di rumore di fase, si è concluso che il peggioramento delle prestazioni del nostro oscillatore sintetizzato era da attribuire al segnale di riferimento fornitogli. Di conseguenza sarà necessario sostituire tale segnale con un riferimento migliore.

Nella fase finale si è svolta la caratterizzazione dello stadio di amplificazione necessario dopo l’oscillatore locale sintetizzato per rendere la potenza del segnale in uscita abbastanza elevata per l’ingresso del mixer che svolge l’operazione di up-conversion.

I risultati ottenuti, oltre a rappresentare un primo importante contributo, costituiranno la base su cui proseguiranno le fasi di validazione e sviluppo dell'intero sistema di controllo e di misura.