QUANTUM OPTICS

L’insegnamento è una delle attività formative del Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Fisica e consente allo studente di acquisire la conoscenza e la comprensione dei concetti fondamentali e applicativi nell’ambito dell’ottica quantistica, che fornisce la descrizione delle proprietà quantistiche caratterizzanti la luce.
L’obiettivo del corso e’ fornire conoscenze nel campo dell’ottica quantistica, che e’ alla base delle moderne applicazioni e implementazioni in altri campi, come l’informazione quantistica, la comunicazione quantistica, la computazione quantistica e la sensoristica quantistica, tutti i filoni che rientrano nel ramo delle cosiddette tecnologie quantistiche.

Al termine del corso la studentessa/lo studente avrà acquisito:
• Conoscenza dei principi base della meccanica quantistica
• Conoscenza dell’ottica quantistica e delle sue applicazioni (tecnologie quantistiche)
• Conoscenza dei principi di generazione e misura di luce non-classica
• Abilità nel descrivere e trattare sistemi ottici (lineari e non) largamente utilizzati in esperimenti di ottica quantistica
• Abilità nel risolvere semplici problemi ed esercizi di meccanica quantistica e ottica quantistica
• Abilità nel comprendere articoli di letteratura scientifica nel campo dell’ottica quantistica

Conoscenza di Analisi Matematica, Algebra Lineare, Fisica I-II.
Possono essere di aiuto, ma non costituiscono prerequisito perchè verranno introdotte nel corso, conoscenze di base di Meccanica Quantistica

1. Introduzione alla Meccanica Quantistica
Perchè la Meccanica Quantistica e’ necessaria
Dualismo onda-particella
Entità e regole in una teoria fisica

2. Il formalismo della Meccanica Quantistica
Stati e osservabili
Misura di un’osservabile
Visuali di Schrödinger e Heisenberg
Sistemi compositi e entanglement
Bell test del realismo locale

3. Meccanica Quantistica a variabili continue
Rappresentazione e operatori di posizione e momento
Principio di indeterminazione di Heisenberg
Oscillatore armonico quantistico

4. Stati quantistici della luce
Quantizzazione del campo elettromagnetico
Stati a singolo modo (Fock, quadrature, coerenti, termici) e operatori a singolo modo
Spazio delle fasi per gli stati quantistici
Funzione d’onda delle quadrature
Stati a minima incertezza: squeezing

5. Distribuzioni di probabilità per lo spazio delle fasi in ottica quantistica
Distribuzioni per lo spazio delle fasi in ottica classica e quantistica
Funzione di Wigner: introduzione, proprietà ed esempi
Altre distribuzioni: corrispondenza di Weyl, distribuzioni parametrizzate, funzione P, funzione Q

6. Strumenti di ottica quantistica
Ottica quantistica a modi continui
Dispositivi ottici lineari (multiporta, beam splitter)
Interferometria
Codificare informazione quantistica in singoli fotoni (codifica in polarizzazione e time-bin)
Applicazione: distribuzione quantistica di chiavi (QKD). Protocollo BB84, sicurezza, implementazioni.

7. Misurare lo stato quantistico della luca
Schema omodino
Tomografia quantistica nello spazio delle fasi
Schema eterodino

8. Luce non-classica
Stati squeezed (descrizione e statistica dei fotoni)
Stati “gatto di Schrödinger”
Vuoto squeezed a due modi (descrizione e statistica dei fotoni)

9. Generare stati quantistici della luce
Elementi di teoria delle perturbazioni (visuale di interazione)
Elementi di ottica non lineare
Spontaneous Parametric Down Conversion (fluorescenza parametrica)
Come generare fotoni entangled e luce squeezed

10. Teoria della coerenza ottica
Proprieta’ statistiche della luce
Funzioni di coerenza classiche e quantistiche

• Gerry, Christopher; Knight, Peter, Introductory Quantum Optics. Cambridge: Cambridge University Press, 20041028.
• Leonhardt, Ulf, Measuring the quantum state of light. Cambridge: Cambridge University Press, 1997.

Esame orale standard su tutto il programma svolto, con risoluzione di esercizi simili a quelli affrontati durante il corso, con possibilità di presentare un approfondimento su un tema concordato col docente. Non sono previsti homework.
La valutazione della prova orale si basa sulla comprensione degli argomenti, sia di teoria che esercizi, svolti a lezione e sulla capacità di esporli in maniera chiara ed esauriente.

L'insegnamento avviene mediante lezioni frontali alla lavagna o con slides. Alcuni risultati vengono presentati mediante l'ausilio di proiettore.
Sono previste 3 attività di laboratorio per approfondire sperimentalmente i concetti e le tecniche descritte nel corso. È prevista una visita ai laboratori di ottica quantistica del gruppo di ricerca QuantumFuture dell'Università di Padova.

Tutti gli argomenti del corso vengono illustrati in aula e sono presentati nelle dispense del corso messe a disposizione dal docente.
Gli appunti delle lezioni possono essere integrati dai libri di testo.
Sara’ reso disponibile un elenco degli argomenti trattati lezione per lezione e il materiale (note, slides, articoli, etc.) messo a disposizione dal docente.