Prof.

CHIESA Alessandro

Ricercatore a tempo determinato
Settore scientifico disciplinare
FISICA DELLA MATERIA (FIS/03)
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  • Insegnamenti
  • Incarichi
  • Ricerca

Il Dr. Alessandro Chiesa ha conseguito la Laurea Magistrale in Fisica (2012) e il Dottorato di Ricerca in Fisica (2016) presso l’Università degli Studi di Parma. Nel 2017 è stato Visiting Scientist presso l’Institute of Advanced Simulations del Forschungszentrum di Jülich (Germania). Nel 2016, 2018 e 2019 è stato assegnista di ricerca e dal 2020 è ricercatore a tempo determinato nel gruppo di ricerca SPIN-BASED QUANTUM SCIENCE (SQS) presso il Dipartimento di Scienze Matematiche, Fisiche e Informatiche del nostro Ateneo.

La sua attività di ricerca è incentrata sulla modellizzazione del comportamento quantistico di Nanomagneti Molecolari. L’obbiettivo è duplice: da un lato un interesse di natura fondamentale volto a raggiungere una approfondita conoscenza dell’origine e della gerarchia delle interazioni magnetiche in gioco e ad investigare fenomeni quantistici di interesse fondamentale; dall’altro lo sviluppo di schemi che utilizzino spin molecolari per future applicazioni tecnologiche, nel campo della computazione quantistica.

In tale prospettiva, la ricerca sull’implementazione fisica di un computer quantistico ha avuto un carattere multidisciplinare, nel tentativo di esplorare varie strade promettenti e nella convinzione che la piattaforma vincente sarà costituita da un dispositivo ibrido che coinvolga sistemi fisici diversi, specializzati in compiti specifici. In particolare, sono stati investigati sistemi di spin elettronici e nucleari controllati tramite impulsi elettromagnetici, ensembles di spin accoppiati a fotoni in risonatori planari, risonatori nanomeccanici.

Le attuali tecnologie leading per la realizzazione di un computer quantistico sono basate su trapped ions e qubit superconduttori. Sto pertanto lavorando alla progettazione ed esecuzione di esperimenti da remoto sui chip quantistici (costituiti da qubit superconduttori) in collaborazione con IBM-Italia e IBM-Research. Tali chip costituiscono dispositivi di taglia intermedia (5-50 qubit) già molto avanzati, ma ancora soggetti a significative fonti di errore. La realizzazione di un dispositivo scalabile che supporti la correzione degli errori (indispensabile per implementare algoritmi complessi) risulta tuttavia ancora molto difficile. Infatti, codici standard per la correzione degli errori richiedono l’utilizzo di molti qubit fisici per codificare un singolo qubit logico protetto da errori, rendendo la realizzazione pratica di tale architettura molto ardua. Le molecole magnetiche offrono la piattaforma ideale per un cambio di prospettiva: è infatti possibile sfruttare i molti livelli accessibili che caratterizzano lo spettro di queste molecole per codificare un qubit protetto da errori a livello di singola molecola. Questo approccio renderebbe la correzione degli errori e l’implementazione di operazioni logiche protette molto più facile da raggiungere nel breve periodo.

La stretta collaborazione con altri gruppi teorici (Università di Pavia, Modena), chimici e sperimentali (Università di Manchester, Firenze, Saragozza, Barcellona), ha permesso di proporre schemi per l’utilizzo di molecole magnetiche come qubit, basati su strutture molecolari e tecnologie sperimentali già disponibili, ed orientati a progettare esperimenti proof-of-principle per dimostrarne il funzionamento. A tale proposito, il gruppo SQS ha recentemente dimostrato il primo simulatore quantistico proof-of-concept basato su spin qudit elettro-nucleari di 173Yb, manipolato con impulsi a radiofrequenze.

L'effetto CISS (Chirality-induced spin-selectivity) fornisce un importante strumento per inizializzare ad alta temperatura e leggere lo stato di singoli spin molecolari, una sfida cruciale per rendere questa tecnologia funzionante. Il gruppo SQS ha proposto di sfruttare il CISS in sistemi donore-ponte chirale-accettore a tale proposito. Analizzare il CISS a livello molecolare potrebbe anche essere la chiave per svelare l'origine del fenomeno. Con questo scopo, il gruppo SQS (in collaborazione con Freie Universitat di Berlino, Università do Firenze e Northwestern University) ha progettato esperimenti di risonanza paramagnetica elettronica risolta in tempo (TREPR) per mostrare la presenza di CISS e ha contribuito a evidenziarlo per la prima volta in un esperimento su molecole sintetizzate alla Northwestern University.

La modellizzazione e lo studio del comportamento di spin molecolari costituisce il punto di partenza per lo sviluppo degli schemi di computazione quantistica menzionati sopra. A tal proposito il Dr. Chiesa utilizza avanzate tecniche teoriche, oltre a dedicarsi al design e all’interpretazione di dati sperimentali.  Dal punto di vista teorico, ha contribuito (in collaborazione con la prof. Pavarini del Forschungszentrum di Jülich) a sviluppare un approccio a principi primi per costruire modelli a molti corpi per Nanomagneti Molecolari, a partire da calcoli basati sulla teoria del funzionale densità e includendo esplicitamente le forti correlazioni elettroniche, un ingrediente essenziale per descrivere questi sistemi.

Dal punto di vista sperimentale, la diffusione inelastica di neutroni costituisce la tecnica principe per ottenere un’accurata descrizione delle eccitazioni a bassa energia dei Nanomagneti Molecolari. Ha quindi preso parte alla progettazione e alla realizzazione di esperimenti presso strutture internazionali come l’Institute Laue Langevin di Grenoble e ISIS Neutron and Muon Source. In particolare, la diffusione inelastica di neutroni quadridimensionale, combinata ad avanzate tecniche di calcolo, permette di sondare direttamente la struttura spaziale degli autovettori, una sorta di impronte digitali non ambigue dell’Hamiltoniana magnetica.

Infine, il Dr. Chiesa si occupa dello studio della dinamica di rilassamento di Nanomagneti Molecolari, punto di partenza per la realizzazione di memorie magnetiche ad alta densità.

Questa attività di ricerca è documentata da 53 pubblicazioni su importanti riviste scientifiche peer-reviewed, tra cui 1 Science, 1 Advanced Materials, 1 Nature Physics, 1 Nature Communications, 3 Physical Review Letters, 1 PRX Quantum, 3 Journal of the American Chemical Society, 2 Angewandte Chemie. È Referee per diverse riviste internazionali e partecipa regolarmente a conferenze scientifiche, sia nazionali che internazionali, anche come invited speaker.

Nel 2018 gli sono stati conferiti lo “European Award for Doctoral Thesis in Molecular Magnetism” e il premio Galileo Galilei riservato a giovani studiosi del Rotary International (Distretto 2072), nel 2021 l' "Advances in Magnetism Award" (AIP Publishing). Nel 2020 ha ottenuto l'Abilitazione Scientifica Nazionale come Professore di Seconda Fascia in Fisica Teorica della Materia (SC 02/B2).

Lunedì e martedì dalle 15 alle 17, su appuntamento, in modalità telematica o in presenza presso il plesso di Fisica.

Anno accademico di erogazione: 2024/2025

Anno accademico di erogazione: 2023/2024

Anno accademico di erogazione: 2022/2023

Anno accademico di erogazione: 2021/2022

Anno accademico di erogazione: 2020/2021

Docente di riferimento

Linee di ricerca

Pagina web del gruppo di ricerca SPIN-BASED QUANTUM SCIENCE: https://spinquantumscience.unipr.it/ L'attività di ricerca si colloca nell'ambito della Fisica teorica della Materia, con particolare focus sullo studio di sistemi di spin miolecolari per l'implementazione fisica del quantum computing e per la comprensioni di fenomeni quantistici di natura fondamentale (decoerenza, selettività di spin indotta dalla chiralità, tunneling, rilassamento). Sfruttando i vantaggi peculiari di questi sistemi (lunghi tempi di coerenza, molti livelli accessibili, ingegnerizzabilità chimica) vengono sviluppati schemi per implementare algoritmi di calcolo e simulazione quantistica e correzione quantistica degli errori. Gli studi sono condotti tramite avanzate tecniche teoriche (modelli ab-initio con inclusione di effetti a molti corpi, Hamiltoniana di spin, Lanczos, simulazione della dinamica di interazione con ambiente) e sperimentali (diffusione inelastica di neutroni, risonanza magnetica elettronica e nucleare).

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