Laboratorio di ottica quantistica
A.A. 2025/2026
Obiettivi formativi
L'insegnamento si propone di introdurre gli studenti allo studio di metodiche di analisi ottica di interesse generale, che oggi trovano
applicazione in diversi ambiti sia della ricerca che dell'industria. Gli esperimenti proposti portano inoltre a diversi approfondimenti sugli
aspetti fondamentali dell'ottica di Fourier e di ottica statistica e alla comprensione dell'importanza di questi aspetti nel funzionamento
della strumentazione.
A ciascun gruppo di studenti viene assegnato un esperimento da sviluppare durante tutto il semestre.
applicazione in diversi ambiti sia della ricerca che dell'industria. Gli esperimenti proposti portano inoltre a diversi approfondimenti sugli
aspetti fondamentali dell'ottica di Fourier e di ottica statistica e alla comprensione dell'importanza di questi aspetti nel funzionamento
della strumentazione.
A ciascun gruppo di studenti viene assegnato un esperimento da sviluppare durante tutto il semestre.
Risultati apprendimento attesi
Lo studente al termine dell'insegnamento avrà acquisito una buona padronanza di una o più tecniche ottiche, essendo in grado
di discutere, progettare e realizzare un apparato completo e di svolgere la corrispondente analisi dati, anche mediante codici di
elaborazione scritti autonomamente.
Tra gli argomenti a scelta degli studenti vi sono:
- scattering statico
- scattering dinamico
- olografia
- interferometria
- imaging coerente / incoerente
- tecniche speckle
- deep Fresnel speckles
- tecniche shadowgraph
- misure di distorsioni di fronti d'onda
- ottica astronomica
di discutere, progettare e realizzare un apparato completo e di svolgere la corrispondente analisi dati, anche mediante codici di
elaborazione scritti autonomamente.
Tra gli argomenti a scelta degli studenti vi sono:
- scattering statico
- scattering dinamico
- olografia
- interferometria
- imaging coerente / incoerente
- tecniche speckle
- deep Fresnel speckles
- tecniche shadowgraph
- misure di distorsioni di fronti d'onda
- ottica astronomica
Periodo: Primo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Primo semestre
Programma
L'ottica quantistica e' un campo della fisica relativamente recente ed ha il grande pregio di permettere allo studente di poter eseguire esperimenti relativamente semplici sugli aspetti fondamentali della meccanica quantistica. Il corso ha come fine quello di far apprendere agli studenti gli elementi di base dell'ottica quantistica e quindi di metterli nella condizione di poter progettare e realizzare gli esperimenti fondamentali che hanno segnato la storia di questa branca della fisica.
Il corso e' strutturato in modo da mettere in stretta relazione gli argomenti teorici trattati a lezione con il lavoro in laboratorio.
Lista degli argomenti:
1) Lezione: introduzione al corso, teoria della fotoemissione, descrizione di un rivelatore a singolo fotone, elementi di base della teoria del fotoconteggio, Lab: ricostruzione della funzione di distribuzione dei conteggi nel caso di radiazione coerente;
2) Lezione: quantizzazione del campo elettromagnetico, stati di Fock, introduzione alla funzione di correlazione dell'intensita' come mezzo per distinguere tra caso classico e caso quantistico, modello quantistico del beam-splitter, Lab: generazione di radiazione termica e determinazone della funzione di correlazione dell'intensita' (esperimento di Hanbury - Twiss);
3) Lezione: teoria della down-conversion con cristallo non lineare come mezzo per generare radiazione non classica, Lab: generazione di coppie di fotoni via down-conversion e determinazione della funzione di correlazione dell'intensita' per la verifica della non classicita' della radiazione; progetto e realizzazione di un interferometro a singolo fotone per mettere in evidenza il dualiasmo onda-particella;
4) Lezione: non localita' in meccanica quantistica e stati entangled, Lab: generazione di stati entangled in polarizzazione di due fotoni con il metodo di Kwiat e verifica della presenza di correlazioni non locali;
5) Lezione: disuguaglianza di Bell come mezzo per scegliere tra una teoria locale e una non locale, Lab: determinazione del parametro S della disuguaglianza di Bell;
6) Lezione: ottica quantistica in variabili continue e generazione di stati squeezed Lab: realizzazione di un sistema con omodina bilanciata per la misura dell'osservabile campo elettrico nel caso di stati coerenti e squeezed.
7) Lezione: introduzione ai computer quantistici in particolare ai computer quantisitci ottici
Il corso e' strutturato in modo da mettere in stretta relazione gli argomenti teorici trattati a lezione con il lavoro in laboratorio.
Lista degli argomenti:
1) Lezione: introduzione al corso, teoria della fotoemissione, descrizione di un rivelatore a singolo fotone, elementi di base della teoria del fotoconteggio, Lab: ricostruzione della funzione di distribuzione dei conteggi nel caso di radiazione coerente;
2) Lezione: quantizzazione del campo elettromagnetico, stati di Fock, introduzione alla funzione di correlazione dell'intensita' come mezzo per distinguere tra caso classico e caso quantistico, modello quantistico del beam-splitter, Lab: generazione di radiazione termica e determinazone della funzione di correlazione dell'intensita' (esperimento di Hanbury - Twiss);
3) Lezione: teoria della down-conversion con cristallo non lineare come mezzo per generare radiazione non classica, Lab: generazione di coppie di fotoni via down-conversion e determinazione della funzione di correlazione dell'intensita' per la verifica della non classicita' della radiazione; progetto e realizzazione di un interferometro a singolo fotone per mettere in evidenza il dualiasmo onda-particella;
4) Lezione: non localita' in meccanica quantistica e stati entangled, Lab: generazione di stati entangled in polarizzazione di due fotoni con il metodo di Kwiat e verifica della presenza di correlazioni non locali;
5) Lezione: disuguaglianza di Bell come mezzo per scegliere tra una teoria locale e una non locale, Lab: determinazione del parametro S della disuguaglianza di Bell;
6) Lezione: ottica quantistica in variabili continue e generazione di stati squeezed Lab: realizzazione di un sistema con omodina bilanciata per la misura dell'osservabile campo elettrico nel caso di stati coerenti e squeezed.
7) Lezione: introduzione ai computer quantistici in particolare ai computer quantisitci ottici
Prerequisiti
Concetti fondamentali di: a) meccanica quantistica non relativistica,
b) campo elettromagnetico classico e onde elettromagnetiche nel vuoto
b) campo elettromagnetico classico e onde elettromagnetiche nel vuoto
Metodi didattici
L'insegnamento viene erogato tramite lezioni in aula e lezioni in laboratorio. La frequenza è fortemente consigliata.
Materiale di riferimento
Gli argomenti trattati sono in gran parte contenuti nelle dispense del docente
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame consiste in un colloquio che verte sugli argomenti trattati nel corso.
Docente/i