Ottica quantistica

A.A. 2016/2017
6
Crediti massimi
48
Ore totali
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Comprensione dei concetti e padronanza delle tecniche di calcolo rispetto agli argomenti seguenti:
1) Quantizzazione del campo di radiazione a partire dall'elettrodinamica classica;
2) Caratterizzazione delle principali osservabili e dei più rilevanti stati del campo di radiazione;
Stati classici e nonclassici della radiazione;
3) Teoria quantistica della coerenza. Effetti di bunching e anti-bunching
4) Generazione, manipolazione e caratterizzazione di stati nonclassici, processi parametrici e
generazione di squeezing ed entanglement;
5) Dinamica del campo di radiazione come sistema quantistico aperto;
6) Atomo a due livelli e sua interazione con il campo quantizzato;
7) Hamiltoniana di Jaynes-Cummings ed effetti dinamici
8) Sistemi ottico-quantistici in esperimenti di fondamento ed in applicazioni alla quantum information.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
CAMPO ELETTROMAGNETICO QUANTIZZATO
Quantizzazione del campo elettromagnetico classico. Operatori del campo e matrice densita'. Spazio di Fock. Radiazione termica. Il vuoto del campo di radiazione quantistico e i suoi effetti fisici. Teoria quantistica della rivelazione della radiazione. Teoria della coerenza quantistica.

INTERAZIONE RADIAZIONE MATERIA
Teoria quantistica dell'emissione ed assorbimento. Interazione microscopica e dinamica quantistica dell'atomo a due livelli: modello di Jaynes-Cummings e stati vestiti.

STATI COERENTI
Gli stati coerenti e le loro proprietà. Operatore spostamento e formule BCH. Funzioni generatrici dei momenti e distribuzioni di probabilità. Funzioni di Wigner generalizzate ed ordinamento. Gli stati Gaussiani e la loro descrizione.

STATI NON-CLASSICI
Stati classici e non-classici della radiazione. Stati a minima indeterminazione e stati squeezed. Operatore di squeezing. Distribuzioni numero e quadrature.

SISTEMI APERTI IN OTTICA QUANTISTICA
Cenni sulla descrizione dei sistemi aperti e della dissipazione in ottica quantistica: Master Equation ed equazione di Fokker-Planck. La decoerenza.

MECCANICA QUANTISTICA DELLO SPECCHIO SEMIRIFLETTENTE
Hamiltoniana efficace. Evoluzione dei campi. Mixing di due fotoni e fluorescenza da un singolo atomo. Modellizzare l'efficienza quantica con uno specchio semiriflettente. Dualità squeezing/entanglement.

AMPLIFICAZIONE DELLA RADIAZIONE
Cenni di ottica nonlineare: la suscettività. Proprietà quantistiche di amplificatori parametrici ottici. Amplificatori phase-insensitive: twin-beam ed entanglement. Amplificatori phase-sensitive: generazione di squeezing. Conversione quantistica di frequenza.

MISURE QUANTISTICHE
Rivelazione del numero di fotoni. Rivelatore omodina ed eterodina. Tomografia quantistica.

APPLICAZIONI TECNOLOGICHE
L'orologio atomico e l'orologio a fontana atomica. Squeezing e interferometria. Teletrasporto quantistico. Elettrodinamica quantistica con circuiti superconduttori.
Informazioni sul programma
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. In particolare, vengono approfondite alcune tematiche fondamentali di meccanica quantistica applicata all'interazione con singoli atomi e con la materia condensata.
Si introducono i principali stati quantistici della radiazione, e si descrivono in dettaglio i processi di misura e di amplificazione. Il corso prevede inoltre una parte monografica sulle applicazioni tecnologiche dell'ottica quantistica e i suoi sviluppi più recenti, quali l'orologio a fontana atomica, lo squeezing nell'interferometria, i circuiti superconduttori accoppiati con risuonatori lineari.
Propedeuticità
Meccanica Quantistica, Elettrodinamica classica, Ottica
Prerequisiti e modalità di esame
Concetti fondamentali di: meccanica quantistica non relativistica, elettromagnetismo ed ottica
Metodi didattici
Frequenza: fortemente consigliata
Modalità d'esame: orale
Materiale didattico e bibliografia
Dispense del docente e articoli fondamentali, scaricabili dal sito web didattico dell'Università http://fcastellioq.ariel.ctu.unimi.it/v3/Home/
(sotto Contenuti Materiali )

D. Walls, G. J. Milburn, "Quantum Optics", Springer (Berlin)
L. Mandel, E. Wolf "Optical Coherence and Quantum Optics", Cambridge University Press
G.Grynberg, A.Aspect and C.Fabre "Introduction to Quantum Optics", Cambridge University Press
R. Puri, "Mathematical methods of quantum optics", Springer (Berlin)
A. Ferraro, S. Olivares, M. G. A. Paris "Gaussian states for quantum information", Bibliopolis (Napoli)
G.S.Agarwal "Quantum Optics", Cambridge University Press
Siti didattici
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)