Ottica quantistica

A.A. 2020/2021
6
Crediti massimi
42
Ore totali
SSD
FIS/03
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Il corso intende fornire le nozioni e i metodi analitici basilari per la descrizione
quantistica del campo di radiazione e della sua interazione con la materia. Vengono
discussi i principali stati quantistici della radiazione, e si descrivono in dettaglio
i processi di misura e di interferometria. In particolare, vengono approfondite alcune
tematiche fondamentali di meccanica quantistica applicata all'interazione con singoli
atomi e con circuiti basati su superconduttori. Il corso prevede inoltre una discussione
sulle applicazioni tecnologiche rilevanti dell'ottica quantistica nei suoi sviluppi
più recenti, quali l'orologio a fontana atomica e l'uso pratico degli stati squeezed.
Risultati apprendimento attesi
Al termine del corso lo studente avrà acquisito le seguenti conoscenze:

1) Sapra' discutere la quantizzazione del campo di radiazione a partire dall'elettrodinamica classica;
2) Sara' in grado di caratterizzare le principali osservabili e i piu' rilevanti stati del campo
di radiazione, classici e nonclassici;
3) Conoscera' gli elementi di base della teoria quantistica della coerenza e della rivelazione della radiazione.
4) Sapra' descrivere la generazione e la manipolazione di stati nonclassici via processi parametrici, con particolare riguardo alle proprieta' di squeezing ed entanglement;
5) Sapra' discutere la dinamica del campo di radiazione come sistema quantistico aperto;
6) Sara' in grado di discutere i modelli e la dinamica della interazione del campo quantizzato
con atomi a due livelli;
7) Sapra' descrivere vari sistemi ottico-quantistici in esperimenti di fondamento ed in applicazioni alla informazione quantistica.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Secondo semestre
L'insegnamento potrà essere erogato interamente da remoto sempre secondo il calendario ufficiale, se vi fossero limitazioni alla mobilità legate all'emergenza sanitaria. In tal caso verrà utilizzata la piattaforma Zoom con connessione ad un'aula virtuale del Dipartimento di Fisica, in collegamento sincrono e con interazione in tempo reale tra gli studenti e il docente. Nella lezione si utilizzeranno una tavoletta grafica e la proiezione di slides. Su richiesta degli studenti è possibile organizzare incontri di tutoraggio in presenza. Gli esami (orali) verranno effettuati sempre con la piattaforma Zoom, in aula virtuale o in meeting virtuale dedicato. Programma e materiali di riferimento non subiscono variazioni.
Programma
1) Quantizzazione del campo elettromagnetico classico. Operatori del campo e matrice densità. Spazio di Fock e fotoni. Radiazione termica. Il vuoto del campo di radiazione quantistico e i suoi effetti fisici.
2) Gli stati coerenti e le loro proprietà. Distribuzione di Poisson. Operatore spostamento e formule BCH. Operatori in quadratura.
3) Teoria quantistica della rivelazione della radiazione. Effetto fotoelettrico. Teoria della coerenza, spaziale e temporale, e i relativi esperimenti fondamentali.
4) Emissione ed assorbimento di radiazione. Interazione microscopica e dinamica quantistica dell'atomo a due livelli: modello di Jaynes-Cummings e stati vestiti.
5) Funzioni generatrici dei momenti e distribuzioni di probabilita'. Funzioni di Wigner generalizzate. Gli stati Gaussiani e la loro descrizione.
6) Stati non-classici della radiazione. Stati a minima indeterminazione e stati squeezed. Operatore di squeezing.
7) Descrizione dei sistemi aperti in ottica quantistica. Dissipazione e modelli di Master Equation. Equazione di Fokker-Planck. La decoerenza.
8) Meccanica quantistica dello specchio semiriflettente. Hamiltoniana efficace ed evoluzione dei campi. Mixing di due fotoni e fluorescenza da un singolo atomo. Modellizzazione dell'efficienza quantica con uno specchio semiriflettente. Dualita' squeezing/entanglement.
9) Misure quantistiche. Rivelazione del numero di fotoni. Rivelatore omodina ed eterodina. Tomografia quantistica.
10) Applicazioni tecnologiche. L'orologio atomico e l'orologio a fontana atomica. Squeezing e interferometria. Teletrasporto quantistico.
Prerequisiti
Concetti fondamentali di: a) meccanica quantistica non relativistica, in particolare per la descrizione dei livelli energetici atomici; b) campo elettromagnetico classico e onde elettromagnetiche nel vuoto; c) strumentazione ottica di base
Metodi didattici
L'insegnamento viene erogato tramite lezioni e discussioni in aula. La frequenza è fortemente consigliata.
Materiale di riferimento
Gli argomenti trattati sono in gran parte contenuti nelle dispense dei docenti e in articoli fondamentali, scaricabili dal sito web didattico ARIEL dell'Universita' http://fcastellioq.ariel.ctu.unimi.it/v3/Home/
Inoltre, per completezza e approfondimento si consigliano alcuni libri:
1) C.G.Gerry and P.L.Knight, "Introductory Quantum Optics", Cambridge University Press 2005
2) G.Grynberg, A.Aspect and C.Fabre ''Introduction to Quantum Optics'', Cambridge University Press
3) G.S.Agarwal ''Quantum Optics'', Cambridge University Press
4) L. Mandel, E. Wolf ''Optical Coherence and Quantum Optics'', Cambridge University Press
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame consiste in un colloquio che verte sugli argomenti trattati nel corso. Durante l'esame, della durata minima di 1 ora, verranno valutate sia le competenze sia le capacità critiche acquisite dallo studente nella descrizione quantistica del campo di radiazione e della sua interazione con atomi, anche sulla base della conoscenza di esperimenti fondamentali. La valutazione è espressa in trentensimi.
FIS/03 - FISICA DELLA MATERIA - CFU: 6
Lezioni: 42 ore
Docente/i
Ricevimento:
martedi' 14:30 - 19:00
Dip. Fisica via Celoria 16, studio V piano (A/5/C3)
Ricevimento:
su appuntamento via e-mail
Stanza A/5/C8 - V piano edificio LITA c/o Dipartimento di Fisica (via Celoria, 16 - 20133 Milano)