Preventivi GruppoV - G.Lamanna 5.7.2017 Call CSN5 THE SIMP PROJECT Single Microwave photon detectors Preventivi GruppoV - G.Lamanna 5.7.2017

Introduzione La rilevazione di singoli fotoni nel range sub-THz ha molteplici applicazioni: ricerca fondamentale, Computer quantistici, comunicazioni, homeland security, … Homeland security Neutrino mass Cosmic Microwave Background Quantum computers Quantum Communication

Assioni Tema di grande interesse per l’INFN: esperimenti in Gruppo2 (QUAX, AXIOMA, STAX (future), KLASH (future)…) e in Gruppo1 (LHC, NA62,…) La ricerca di Assioni a piccole masse implica la rivelazione di fotoni di piccola energia (ricerca nelle microonde). http://www.lnf.infn.it/sis/preprint/pdf/getfile.php?filename=INFN-17-14-LNF.pdf

Background Sotto la spinta della ricerca applicativa, negli ultimi anni si sono sviluppate molte tecniche per la rivelazione SP sotto il THz Quantum Dots Hashiba Nanotechnology 21 (2010) Graphene Bolometers C.B. McKitterick arXiv:1210.5495 Transition Edge Sensors Lolli et al, Sensors 2016, 16, 953 Superconducting qubits Schuster et al., NATURE Vol 445 (2007)

Risposta alla Call di CSN5 Sviluppo di varie tecniche di rivelazione di singolo fotone sub-THz (SIMP = SIngle Microwave Photon) Tecniche complementari in range di frequenza differenti Sinergia su problemi comuni Rinforzare competenze e tecnologie nell’INFN su ricerca con fotoni di bassa energia Dark matter, assioni, CMB, Massa neutrino, … Rinforzare la collaborazione con altri Enti dove queste tecnologie verranno sviluppate Ampliare un nuovo settore di ricerca Training dei giovani Possibilità di partecipare a Call Europee (Quantum Technology Flagship, …)

Partner INFN LNF (coordinator) PISA TIFPA NEST INRIM IFN-CNR

Organizzazione progetto The SIMP project aims at reaching its main objective developing 4 different technologies (WP2 to WP5). WP1 Coordination and Dissemination (ALL) WP2 Super Conducting Qubits (LNF, CNR-IFN, CNR-NEST)  da 10-100 GHz WP3 Josephson Temperature to Phase Converter (CNR-NEST, INFN Pi)  da 10-100 GHz WP4 Nanostructured Quantum Device (INFN Pi, CNR-NEST)  da 100 GHz-1 THz WP5 Transition Edge Sensors (INRIM, TIFPA, CNR-NEST)  da 30-100 GHz WP6 Resonant Cavities, WaveGuides and Antennae (LNF, INRIM,TIFPA)

Birdview Copertura di ampio range in frequenza Detector con caratteristiche differenti (dead time, dark noise,..) Economia di scala su equipment comuni (criogenia, network analyzer, R&D cavità e antenne,…) Intersezione di competenze

Birdview 3 years project FTE 9.5 Budget 0.8 - 1 M€ 6-8 years AdR

WP2 (LNF, CNR-IFN, CNR-NEST): Super Conducting Qbits Test e fabbricazione di Qbits SC (Transmon and Gatemon) Accoppiamento dei qbit a una cavità risonante a 10 GHz, a temperatura criogenica < 100 mK Lettura dello stato del qubit La presenza di un fotone in una cavità risonante induce una transizione nel Qbit quando questo è pilotato con un’opportuna radiofrequenza. Lo stato eccitato del Qbit può essere rilevato attraverso un altro segnale di frequenza opportuna.

WP3 (INFN-PI, CNR-NEST): Josephson photodetector via T-Phase conversion Dc-Squid in cui una delle due giunzioni SNS è usata come detector e l’altra come rivelatore Il fotone da rivelare aumenta la temperatura della giunzione L’aumento della temperatura cambia la fase della supercorrente nel ring Tale differenza può essere rivelata con un interferometro SQUIPT integrato nel device 𝑁𝐸𝑃 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑐𝑡𝑒𝑑 ≈ 10 −22 𝑊/ 𝐻𝑧 Responsabile WP: F.Giazotto F.Giazotto et al. arXiv:1703.05284

WP3 (INFN-PI, CNR-NEST): Josephson photodetector via T-Phase conversion Task 3.1 Progetto del sensore TPC, definizione di un protocollo di fabbricazione; Duration – 24 Months (from month 1 to month 24) Task 3.2 Allestimento e upgrade del setup di misura ; Duration – 6 Months (from month 3 to month 8) Task 3.3 Caratterizzazione dei sensori TPC ; Duration – 28 Months (from month 9 to month 36) Milestones M3.1 Accomplishment of setup update (task 3.2) in month M8 M3.2 Completion of device modeling (task 3.1) in month M10 M3.3 First test of thermal-TPC device (task 3.3) in month M12 M3.4 First test of optic-TPC device (task 3.3) in month M16 M3.5 Completion of test of thermal-TPC devices (task 3.3) in month M18

WP4 (INFN-PI, CNR-NEST): Photodetector with nanostructured quantum device Meccanismo di rivelazione basato su transizioni quantistiche tra orbitali atomici in nanostrutture Quantum dots accoppiati: QS #1: sistema quantistico in cui i livelli sono ingegnerizzati per favorire l’assorbimento dei fotoni nella frequenza voluta (“nano-condensatore”) QS #2: rivelatore di carica ad alta sensibilità (SET o 1D nanochannel su grafene o nanofilo) NEP ~10-20 W/Hz1/2 at 200 GHz su approcci simili Principali problemi: lifetime degli stati, energia minima rivelabile, limitato range dinamico e lungo tempo di recupero. Responsabile WP: S.Roddaro

WP4 (INFN-PI, CNR-NEST): Photodetector with nanostructured quantum device Task 4.1. Design and optimization of the primary QS for single photon absorption. (months 1-12) Task 4.2. Design and optimization of the secondary QS for charge detection. (months 7-15) Task 4.3. Integration of the two QSs in a single-photon detector and integration with a resonant cavity/guide. (months 16-24) Task 4.4. Test of the performance of the best technological approach in terms of sensitivity, dark counts, accessible energy range. (months 25-36) L’attività di disegno e realizzazione del sistema verrà fatta al NEST Il compito dell’unità INFN sarà quello di partecipare alla definizione delle specifiche, al test, all’elettronica ancillare e ad eventuali lavori di integrazione o realizzazione di cavità, guide d’onda o supporti meccanici (WP6)

WP5 (TIFPA, CNR-NEST, INRIM To,…): TES Single photon detector 50 GHz (and below) Il TES è un microcalorimetro che funziona a cavallo della regione di transizione tra stato superconduttivo e stato normale. Bilayer TES Cu/Al studiati per STAX sono un ottimo punto di partenza per costruire studiare single photon. Interplay tra risoluzione e recovery time. E T

Unità di Pisa L’unità di Pisa è coinvolta in tutti i WP In particolare : WP3 e WP4 % Note Spagnolo 20 Stax Giazotto 60 Ligato 100 Rolandi 15 Ligabue 5 De Simoni 50 Paolucci Lamanna Quax Sozzi Tredicucci 45 Roddaro Di Gaspare 65 * Primo anno * Percentuali non definitive * Percentuali assegnate in caso di vittoria * Possibilità di sinergie con esperimenti o R&D in essere * Altri partecipanti (soprattutto INFN-PI) benvenuti! * Attesi 4 o 5 FTE da Pisa

Richieste economiche (a CSN5) WP3 (kEuro) WP4 (kEuro) Viaggi 10 18 Equipment 135 60 Personale 50 Altro 55 52 TOTALE 250 180 Richieste a sezione: Supporto per elettronica ancillare (da definire) Supporto per meccanica (da definire) Eventuale cofinanziamento personale