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In questa tesi verrà sviluppato lo studio e il progetto di un Qubit super conduttivo in cavità risonante a microonde. Il progetto Qub-IT, a cui sta lavorando l’Istituto nazionale di fisica nucleare, in sigla INFN, ha l’obbiettivo di realizzare dei sensori capaci di rilevare fino ad un singolo fotone nel campo delle microonde. Questi sensori saranno poi impiegati negli esperimenti per rivelare la materia oscura tramite interazione con particelle teoriche chiamate Axion. Queste particelle sono state teorizzate più di 40 anni fa e tutt’ora rimangono tra i migliori candidati come possibile materia oscura. Gli Axion verrebbero prodotti all’interno del nucleo delle stelle. Un fotone che viaggia all’interno del nucleo potrebbe convertirsi in un Axion tramite l’interazione con il forte campo elettromagnetico. Per rivelare queste particelle emesse dalle stelle dobbiamo creare un’interazione con un altro campo elettromagnetico per riconvertire gli Axion in fotoni, così che possiamo misurarli attraverso sensori particolari. Il design del sensore consisterà in un dispositivo superconduttivo composto da un qubit di
tipo transmon accoppiato ad un risonatore, che nel nostro caso sarà costituito dalla cavità 3D (di solito si usano strutture 2D come risonatori CPW). Modificando lo stato quantico del qubit, andremo a influenzare la risposta in frequenza del risonatore. Un fotone che viaggia all’interno del risonatore, ne uscirà con uno sfasamento dipendente dalla funzione di trasferimento del risonatore e quindi dallo stato del qubit. L’uso della cavità superconduttiva consente di ottenere tempi di coerenza molto elevati grazie al suo altissimo fattore di qualità Q, molto più alto di quello che potremmo ottenere da una struttura CPW. Il tempo di coerenza è essenzialmente il tempo di vita del qubit; quindi, risulta fondamentale averlo il più elevato possibile in modo da ottenere risultati accurati. La cavità consentirà anche di racchiudere il transmon e separarlo dal mondo esterno, isolandolo così da possibili fonti di disturbo che potrebbero causare la decoerenza dello stato del qubit. In questa tesi verranno introdotte delle possibili varianti che risolveranno alcuni problemi nella realizzazione di cubi tramite transmon ad esempio il xmon. Verrà affrontato poi l’elemento fondamentale che sta alla base della realizzazione di qubit a superconduttore, ovvero la giunzione di josephson. Questo elemento sarà usato per produrre lo SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Questo dispositivo consentirà di modificare la frequenza di lavoro del qubit e racchiuderà tutta la fisica che descrive il funzionamento del qubit stesso. Saranno affrontati poi i concetti fondamentali che stanno alla base del quantum computing, del funzionamento e del readout di Qubit superconduttivi. Per creare il design 2D della struttura sarà utilizzato Qiskit-Metal (IBM). Il tutto verrà interfacciato con Ansys HFSS, che verrà utilizzato per realizzare la cavità ed effettuare le simulazioni.