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)
• 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 all'Ottica Quantistica
Introduzione storica
Dualismo onda-particella
Formulazione Lagrangiana ed Hamiltoniana di una teoria fisica

2. Il formalismo della Meccanica Quantistica
Entità e regole in una teoria fisica
Stati e osservabili
Misura di osservabili, valori medi ed evoluzione temporale
Visuali di Schrödinger, Heisenberg ed interazione
Oscillatore armonico quantistico
Principio di indeterminazione di Heisenberg
Sistemi compositi e entanglement
Bell test del realismo locale

3. Quantizzazione del campo elettromagnetico
Quantizzazione canonica
Hamiltoniana classica del campo elettromagnetico
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
Beam splitter
Interferometria
Teoria della coerenza ottica: funzioni di coerenza classiche e quantistiche
Codificare informazione quantistica usando la polarizzazione
PBS e lamine per controllare la polarizzazione
Ottica quantistica a modi continui
Codificare informazione quantistica usando impulsi luminosi

7. Misura dello stato quantistico della luce
Rivelatori di fotoni
Schema omodino
Schema eterodino

8. 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

9. 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

• 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 20-25 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. Due/tre 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.

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.

Inglese

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.