Laboratorio di Sistemi Quantistici e alla Nanoscala (QNANOLab)

Il laboratorio QNANO svolge attività di ricerca interdisciplinare nel campo del quantum computing, dell’elettronica su scala nanometrica e dei nuovi paradigmi di calcolo. Le linee di ricerca spaziano dallo sviluppo di architetture quantistiche e classiche avanzate — comprendenti circuiti quantistici, elettronica di controllo per qubit, compilatori hardware-aware e emulatori FPGA/GPU — fino allo studio di dispositivi e materiali nanoscopici, come quantum dots, sensori molecolari e dispositivi a singola molecola. Il laboratorio integra approcci teorici, simulativi e sperimentali, collaborando con partner internazionali per la progettazione, fabbricazione e caratterizzazione di tecnologie emergenti. L’obiettivo è esplorare soluzioni efficienti e scalabili per l’elaborazione dell’informazione, con ricadute nei campi dell’AI, della crittografia e dei sistemi a basso consumo.

Keywords: Quantum Computing and Control & Readout, Quantum Optimizations, Molecular Electronics and field-coupled nanocomputing, Quantum and Nanoelectronic Architectures, Quantum dots for Nano and Quantum Computing.

E-mail di contatto: det.QNANOLab@polito.it

Posizione: Polito Maps

Ambiti di ricerca:

Quantum Computing e Architetture su Scala Nanometrica: Il gruppo sviluppa soluzioni complete, dall’elettronica di controllo per qubit, il modellamento compatto dei qubit fisici fino alle applicazioni di alto livello. Le ricerche includono progettazione di circuiti quantistici, compilazione hardware-aware, emulatori FPGA/GPU e ottimizzazione basata su QUBO, con particolare attenzione a tecnologie come qubit superconduttivi, a spin e molecolari.
Nuovi Paradigmi di Calcolo Beyond von Neumann: Il laboratorio progetta sistemi di calcolo riconfigurabili memory-computing (CLiMA, Hybrid-SIMD) e strumenti CAD (DExIMA, Octantis) per analisi delle prestazioni ed esplorazione architetturale. Sviluppa inoltre architetture CGRA near-memory per AI, crittografia e calcolo approssimato, puntando a soluzioni scalabili ed energeticamente efficienti.
Studio ab initio e modellizzazione compatta di sensori su scala nanometrica basati su nanofili o singole molecole per la rilevazione di gas, inquinanti atmosferici o tossine (es. aflatossina). Le attività di ricerca si concentrano inoltre sulla loro integrazione con CMOS per la realizzazione di sensori intelligenti e sulla loro fabbricazione sperimentale.
Studio ab initio e modellizzazione compatta di dispositivi a singola molecola (giunzioni molecolari, nanocomputazione a campi accoppiati) per applicazioni di calcolo e memoria. Gli studi si concentrano sulla fattibilità tecnologica — correlando modelli teorici con risultati sperimentali — e sulla progettazione CAD (MagCAD/SCERPA) di circuiti ad alta velocità e basso consumo.
Ricerca sui Quantum Dots: Le attività si concentrano su quantum dots a semiconduttore e molecolari, combinando studi a livello di processo con simulazioni fisiche ed esperimenti. Il lavoro integra fabbricazione e caratterizzazione con simulazione e include sistemi microelettronici analogici e digitali per il controllo e la misura a bassa temperatura e basso rumore.

Servizi offerti:

Rilevamento di frodi bancarie potenziato da algoritmi quantistici
Utilizzo di modelli di Quantum Machine Learning (VQC, QNN, QSVM) per identificare transazioni fraudolente in grandi dataset finanziari sbilanciati.
Ottimizzazione di portafogli finanziari e gestione del rischio
Modelli basati su QUBO per l’allocazione ottimale degli asset e il controllo del rischio in contesti bancari e fintech.
Gestione intelligente della mobilità urbana e del traffico
Regolazione ottimizzata dei semafori e dei flussi di traffico tramite algoritmi QAOA e formulazioni QUBO, con applicazioni nelle Smart Cities.
Progettazione e implementazione di architetture di controllo e lettura scalabili per la caratterizzazione accurata e l’esecuzione efficiente di algoritmi su processori quantistici.
Ottimizzazione della logistica e delle reti di distribuzione
Miglioramento di rotte di consegna e flussi di supply chain grazie a tecniche quantistiche di routing e scheduling.
Ottimizzazione delle reti di telecomunicazione
Posizionamento efficiente di risorse di rete (es. funzioni virtualizzate o infrastrutture 5G/6G) attraverso simulazioni e compilazioni quantistiche.
Distribuzione quantistica delle chiavi (QKD) e comunicazioni sicure
Progettazione e simulazione di sistemi di comunicazione sicura basati su fotoni, con garanzie teoriche di inviolabilità.
Elaborazione quantistica delle immagini e visione artificiale
Compressione e analisi avanzata di immagini tramite circuiti quantistici, per applicazioni in robotica, ispezione industriale e computer vision.
Analisi quantistica di immagini biomedicali
Applicazione delle tecniche di Quantum Image Processing all’analisi di immagini mediche (es. MRI, immagini istologiche), con obiettivi di diagnosi precoce e classificazione automatica.
Scoperta assistita di farmaci e simulazione molecolare
Emulazione quantistica per lo studio di molecole e processi chimici complessi, accelerando le attività di ricerca farmaceutica e chimica computazionale.
Sistemi intelligenti di rilevamento molecolare
Studio di sensori elettronici miniaturizzati basati su nanofili e dispositivi a singola molecola per il rilevamento selettivo di agenti chimici, biologici e ambientali, con applicazioni in ambito sanitario, ambientale e agroalimentare.
Ottimizzazione del design di sensori tramite simulazione
Utilizzo di simulazioni (ab initio, fisica del dispositivo e di processo) per l’analisi dell’interazione molecola-sensore e lo sviluppo di modelli compatti, integrabili in strumenti di progettazione elettronica.
Sviluppo di sensori per tracciabilità e sicurezza alimentare
Progettazione di sensori avanzati per la rilevazione di contaminanti (es. aflatossine) in alimenti, con tecniche di rilevamento molecolare e analisi elettronica del segnale.
Computazione elettronica su scala molecolare
Progettazione e simulazione di circuiti logici e celle di memoria basati su singole molecole, per applicazioni in elettronica ultra-densa, low-power e beyond-CMOS.
Simulazione e modellazione di dispositivi molecolari
Sviluppo di modelli predittivi per dispositivi elettronici molecolari mediante simulazioni ab initio e strumenti dedicati per il design circuitale e la stima delle prestazioni, anche per tecnologie Beyond-CMOS, quali il Molecular Field-Coupled Nanocomputing.
Strumenti CAD e simulatori per dispositivi emergenti
Sviluppo e integrazione di ambienti software per il design grafico di circuiti basai su tecnologie emergenti e per la simulazione fisica, per costruire flussi di progettazione compatibili con le tecnologie CMOS.