Il progetto PHOENICIS (PHOton Entangled states in Number Correlations for Imaging and Sensing), proposto da INRiM nell’ambito del bando a cascata dello Spoke 7 “Complete Quantum System”, aveva l’obiettivo di sviluppare sistemi di imaging ottico potenziati dalle tecnologie quantistiche, basati sull’impiego di stati entangled nel numero di fotoni per il rilevamento di segnali in condizioni di bassa intensità.

In particolare, il progetto si è concentrato su due linee di ricerca principali:

• Lo sviluppo di un microscopio a rumore sotto-shot, indirizzato ad applicazioni biologiche;
• La realizzazione di tecniche di microscopia a super-risoluzione quantistica, basate su funzioni di correlazione di ordine superiore ed emettitori non poissoniani, integrate con microscopia a illuminazione strutturata (SIM).

Entrambi gli obiettivi sono stati pienamente raggiunti.

Da un lato, è stato realizzato un microscopio di imaging di fase — particolarmente adatto allo studio di sistemi biologici — dimostrando l’assenza di compromesso tra risoluzione e soppressione del rumore, a differenza di quanto avviene nell’imaging in assorbimento. Questo risultato apre prospettive concrete per un utilizzo più ampio della tecnica.

Dall’altro, è stato dimostrato un significativo miglioramento della risoluzione grazie all’impiego congiunto di emettitori non poissoniani (quantum dots) e luce strutturata. Anche in questo caso, i risultati ottenuti indicano un chiaro potenziale applicativo.

Pubblicazioni di riferimento:

[1] A. Paniate et al., High-resolution quantum-enhanced phase imaging of cells, Optica 13 (2026) 375
[2] F. Picariello et al., Quantum super-resolution microscopy by photon statistics and structured light, Optica 12(4), 490 (2025)

Il progetto Quantumix (Ultracold atom-ion mixtures for quantum technologies), coordinato dall'INRiM e approvato nell’ambito del bando a cascata dello Spoke 3 Atomic, Molecular Platform for Quantum Technologies, si è concluso.

Nel corso del progetto sono stati ottenuti risultati con ricadute che vanno oltre lo specifico obiettivo iniziale. Sono state sviluppate nuove tecniche per il raffreddamento e la misura della temperatura di atomi confinati in reticoli ottici, raggiungendo temperature al livello del microkelvin. Sono stati inoltre studiati e controllati cristalli bidimensionali di ioni intrappolati, approfondendone le transizioni strutturali e le proprietà dinamiche. Queste attività hanno portato alla preparazione di due lavori scientifici dedicati alla termometria atomica e al controllo dei cristalli ionici.

Il progetto ha anche consentito di realizzare e caratterizzare una cavità ottica ad alte prestazioni e di dimostrare l’accoppiamento degli ioni con il campo della cavità. Le tecnologie e le metodologie sviluppate pongono le basi per futuri esperimenti con miscele ultrafredde di litio e ioni di bario e per nuove applicazioni nell’ambito della simulazione, della metrologia e dell’informazione quantistica.

Il progetto STAR, a guida INRiM, si è concluso con successo raggiungendo importanti traguardi tecnologici che consolidano gli obiettivi dello Spoke 6 di NQSTI (National Quantum Science and Technology Institute) nella metrologia e nelle tecnologie quantistiche.  Tra i risultati principali, il progetto ha dimostrato lo sviluppo di rivelatori superconduttivi a singolo fotone di tipo TES (Transition-Edge Sensor) con un’ottima capacità di risoluzione del numero di fotoni (PNR), riuscendo a discriminare fino a 13 fotoni a una lunghezza d'onda di 690 nm grazie all'ottimizzazione di bilayer in Ti/Au. 

L'efficienza quantistica di rivelazione del sistema (SDE) ha raggiunto l'85%, valore ottenuto attraverso l'impiego di specifici rivestimenti antiriflesso. Inoltre, l'implementazione di strutture "gold banks" ha permesso di superare frequenze di conteggio di 1 MHz, garantendo tempi di risposta allo stato dell'arte per questo tipo di rivelatori.  Un risultato fondamentale del progetto è stata la realizzazione di un array lineare di 8 TES (con passo di 250 μm), ottimizzato per l'integrazione con matrici di fibre ottiche standard. Questo avanzamento è supportato dalla validazione della nuova facility POLARIS (Precise Optical Line-up And Reference Imaging System), che permette un allineamento con precisione sub-micrometrica tra fibre e sensori. 

Questi risultati non solo potenziano la piattaforma fotonica dello Spoke 6, ma aprono nuove strade per la sensoristica quantistica e la metrologia a singolo fotone. 

L’INRiM è il proponente del progetto QCS APP LAB (Quantum Communication and Sensing Applications Laboratory), approvato nell’ambito del bando a cascata dello Spoke 8 Technology Transfer, finanziato attraverso i fondi PNRR e coordinato dal Dott. Davide Calonico, Direttore Scientifico dell'INRiM. 

Il progetto prevede la creazione di un Joint Lab per applicazioni di comunicazione quantistica e quantum sensing, basato su un modello pubblico-privato. L’obiettivo è integrare competenze scientifiche, tecnologiche e industriali, guidando il percorso che va dalla ricerca fondamentale fino all’implementazione di applicazioni pratiche, favorendo così il trasferimento tecnologico verso il mercato.

Gli obiettivi principali includono:

• Laboratorio congiunto pubblico-privato: istituzione di una piattaforma collaborativa che unisce ricerca e industria, creando un modello virtuoso di innovazione condivisa.
• Tecnologie di comunicazione quantistica: sviluppo di soluzioni per reti sicure basate su principi quantistici, con ricadute dirette sulla protezione dei dati e delle infrastrutture critiche.
• Quantum sensing per applicazioni avanzate: realizzazione di sensori quantistici ad alta precisione, con impatti in settori come la metrologia, la medicina e la sicurezza.
• Ecosistema nazionale ed europeo: rafforzamento del ruolo dell’Italia nello sviluppo delle tecnologie quantistiche, in sinergia con i progetti strategici di NQSTI e in un contesto di cooperazione internazionale.

Questi approcci puntano a fare del QCS APP LAB un polo di attrazione di interessi, infrastrutture e competenze, capace di autosostenersi a partire dal secondo anno di attività e di generare valore per il Sistema Paese, contribuendo al posizionamento competitivo dell’Italia e dell’Europa nel settore delle tecnologie quantistiche.