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 è fornire conoscenze nel campo dell’ottica quantistica, che è 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)
• Abilità nel descrivere e trattare sistemi ottici (lineari e non) largamente utilizzati in esperimenti di 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. Concetti preliminari riguardo la Meccanica Quantistica
Introduzione all'Ottica Quantistica
Il formalismo della Meccanica Classica e Quantistica
Sistemi compositi e entanglement
Bell test del realismo locale
Oscillatore armonico quantistico

3. Quantizzazione del campo elettromagnetico
Quantizzazione canonica
Hamiltoniana classica del campo elettromagnetico in gauge di Coulomb
Hamiltoniana quantistica del campo elettromagnetico
Stati e operatori a singolo modo

4. Stati quantistici della luce
Stati di Fock
Stati termici
Stati coerenti
Stati squeezed

6. Strumenti di ottica quantistica
Ottica quantistica a modi continui
Beam splitter
Interferometria
Teoria della coerenza ottica: funzioni di coerenza classiche e quantistiche
Stati time-bin
Stati di polarizzazione

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

8. Descrizione nello spazio delle fasi
Schema omodino
Schema eterodino
Distribuzioni di quasi-probabilità
Funzione di Wigner: introduzione, proprietà ed esempi
Funzione Q: introduzione, proprietà ed esempi
Misura della Funzione Q

9. Applicazioni: protocolli quantistici
Generatori di numeri casuali quantistici: trusted, semi device-independent, device-independent
Teletrasporto quantistico
Quantum Key Distribution

• 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.

Il raggiungimento degli obiettivi dell'insegnamento viene valutato attraverso un esame finale orale.

L'esame consiste di due parti svolte durante un unico colloquio, in inglese.
1. Un seminario di 15-20 minuti su un argomento a scelta dello studente tra gli argomenti trattati in classe o tra alcuni approfondimenti proposti dal docente o dallo studente stesso. Lo studente deve presentare i concetti generali del tema in modo corretto e completo, fornendo alcuni esempi al livello delle lezioni e del libro di testo. Si incoraggia lo studente a cercare esempi originali, applicazioni e interconnessioni con altri argomenti, per dimostrare un livello di comprensione elevato. Il seminario può essere svolto usando slides o direttamente alla lavagna.
2. Una o due domande sul nucleo del corso come presentato durante le lezioni. Lo studente deve rispondere (se necessario, con il supporto della lavagna) per dimostrare la comprensione dei concetti e delle nozioni di base del corso. Gli aspetti teorici e sperimentali saranno considerati di uguale importanza.
3. Report delle attività ed analisi dati acquisiti durante le ore di laboratorio previste dal corso.

orale

Il/la docente ha il dovere di vigilare affinché siano rispettate le regole di autenticità e originalità delle prove d'esame. Di conseguenza, nei casi in cui vi sia il sospetto di un comportamento irregolare, l'esame può prevedere un ulteriore approfondimento, contestuale alla prova d'esame, che potrà essere realizzato anche in modalità differente rispetto alle modalità sopra riportate.

Un esame completamente riuscito (27-30/30) sarà considerato tale quando verrà dimostrata una solida e ampia padronanza dei concetti discussi durante le lezioni. Un voto medio (22-26/30) sarà il risultato di una comprensione abbastanza completa di singoli temi ma con limitate interconnessioni tra gli argomenti. Un livello di sufficienza (18-21/30) corrisponderà a una conoscenza minima delle singole nozioni.

L'insegnamento avviene mediante lezioni frontali alla lavagna o con slides.
Sono previste 3 attività di laboratorio per approfondire sperimentalmente i concetti e le tecniche descritte nel corso.

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.
Sarà reso disponibile un elenco degli argomenti trattati lezione per lezione e il materiale (note, slides, articoli, etc.) messo a disposizione dal docente.