Quantum Information Processing with spin systems: from modeling to possible implementations

The physical implementation of quantum information processing is one of the major challenges of current research. In the last few years, several theoretical proposals and experimental demonstrations on a small number of qubits have been carried out, but a quantum computing architecture that is straightforwardly scalable, universal, and realizable with state-of-the-art technology is still lacking. In particular, a major ultimate objective is the construction of quantum simulators, yielding massively increased computational power in simulating quantum systems. Here we investigate promising routes towards the actual realization of a quantum computer, based on spin systems. The first one employs molecular nanomagnets with a doublet ground state to encode each qubit and exploits the wide chemical tunability of these systems to obtain the proper topology of inter-qubit interactions. Indeed, recent advances in coordination chemistry allow us to arrange these qubits in chains, with tailored interactions mediated by magnetic linkers. These act as switches of the effective qubit-qubit coupling, thus enabling the implementation of one- and two-qubit gates. Molecular qubits can be controlled either by uniform magnetic pulses, either by local electric fields. We introduce here two different schemes for quantum information processing with either global or local control of the inter-qubit interaction and demonstrate the high performance of these platforms by simulating the system time evolution with state-of-the-art parameters. The second architecture we propose is based on a hybrid spin-photon qubit encoding, which exploits the best characteristic of photons, whose mobility is exploited to efficiently establish long-range entanglement, and spin systems, which ensure long coherence times. The setup consists of spin ensembles coherently coupled to single photons within superconducting coplanar waveguide resonators. The tunability of the resonators frequency is exploited as the only manipulation tool to implement a universal set of quantum gates, by bringing the photons into/out of resonance with the spin transition. The time evolution of the system subject to the pulse sequence used to implement complex quantum algorithms has been simulated by numerically integrating the master equation for the system density matrix, thus including the harmful effects of decoherence. Finally a scheme to overcome the leakage of information due to inhomogeneous broadening of the spin ensemble is pointed out. Both the proposed setups are based on state-of-the-art technological achievements. By extensive numerical experiments we show that their performance is remarkably good, even for the implementation of long sequences of gates used to simulate interesting physical models. Therefore, the here examined systems are really promising buildingblocks of future scalable architectures and can be used for proof-of-principle experiments of quantum information processing and quantum simulation.

Multi-scale approaches to Food Sciences: computational QM and MM explorations at the microscopic level

L'obiettivo principale della politica di sicurezza alimentare è quello di garantire la salute dei consumatori attraverso regole e protocolli di sicurezza specifici. Al fine di rispondere ai requisiti di sicurezza alimentare e standardizzazione della qualità, nel 2002 il Parlamento Europeo e il Consiglio dell'UE (Regolamento (CE) 178/2002 (CE, 2002)), hanno cercato di uniformare concetti, principi e procedure in modo da fornire una base comune in materia di disciplina degli alimenti e mangimi provenienti da Stati membri a livello comunitario. La formalizzazione di regole e protocolli di standardizzazione dovrebbe però passare attraverso una più dettagliata e accurata comprensione ed armonizzazione delle proprietà globali (macroscopiche), pseudo-locali (mesoscopiche), ed eventualmente, locali (microscopiche) dei prodotti alimentari. L'obiettivo principale di questa tesi di dottorato è di illustrare come le tecniche computazionali possano rappresentare un valido supporto per l'analisi e ciò tramite (i) l’applicazione di protocolli e (ii) miglioramento delle tecniche ampiamente applicate. Una dimostrazione diretta delle potenzialità già offerte dagli approcci computazionali viene offerta nel primo lavoro in cui un virtual screening basato su docking è stato applicato al fine di valutare la preliminare xeno-androgenicità di alcuni contaminanti alimentari. Il secondo e terzo lavoro riguardano lo sviluppo e la convalida di nuovi descrittori chimico-fisici in un contesto 3D-QSAR. Denominata HyPhar (Hydrophobic Pharmacophore), la nuova metodologia così messa a punto è stata usata per esplorare il tema della selettività tra bersagli molecolari strutturalmente correlati e ha così dimostrato di possedere i necessari requisiti di applicabilità e adattabilità in un contesto alimentare. Nel complesso, i risultati ci permettono di essere fiduciosi nel potenziale impatto che le tecniche in silico potranno avere nella identificazione e chiarificazione di eventi molecolari implicati negli aspetti tossicologici e nutrizionali degli alimenti.