Ottica quantistica

A.A. 2019/2020
Insegnamento per
6
Crediti massimi
42
Ore totali
SSD
FIS/03
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Comprensione dei concetti e padronanza delle tecniche di calcolo per gli argomenti seguenti:
1) Quantizzazione del campo di radiazione a partire dall'elettrodinamica classica;
2) Caratterizzazione delle principali osservabili e dei piu' rilevanti stati del campo
di radiazione. Stati classici e nonclassici;
3) Teoria quantistica della coerenza e della rivelazione della radiazione.
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.

Struttura insegnamento e programma

Edizione attiva
Responsabile
FIS/03 - FISICA DELLA MATERIA - CFU: 6
Lezioni: 42 ore
Programma
1) 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 quantistica della quantistica.
2) Emissione ed assorbimento di radiazione. Interazione microscopica e dinamica quantistica dell'atomo a due livelli: modello di Jaynes-Cummings e stati vestiti.
3) Gli stati coerenti e le loro proprieta'. Operatore spostamento e formule BCH. Funzioni
generatrici dei momenti e distribuzioni di probabilita'. Funzioni di Wigner generalizzate.
Gli stati Gaussiani e la loro descrizione.
4) Stati non-classici della radiazione. Stati a minima indeterminazione e stati squeezed.
Operatore di squeezing. Distribuzioni numero e quadrature.
5) Descrizione dei sistemi aperti in ottica quantistica. Dissipazione e modelli di Master
Equation. Equazione di Fokker-Planck. La decoerenza.
6) 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.
7) Misure quantistiche. Rivelazione del numero di fotoni. Rivelatore omodina ed eterodina.
Tomografia quantistica.
8) Applicazioni tecnologiche. L'orologio atomico e l'orologio a fontana atomica. Squeezing
e interferometria. Teletrasporto quantistico.
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
Fisica Moderna e Meccanica Quantistica, Elettrodinamica classica, Ottica
Prerequisiti e modalità di esame
PREREQUISITI
Concetti fondamentali di: meccanica quantistica non relativistica, elettromagnetismo ed ottica

MODALITA' D'ESAME
L'esame consiste in una discussione orale che verte sugli argomenti trattati nel corso.
Metodi didattici
Modalita' di frequenza:
Fortemente consigliata;
Modalita' di erogazione:
Tradizionale
Materiale didattico e bibliografia
1) Dispense dei docenti e articoli fondamentali, scaricabili dal sito web didattico
dell'Universita' http://fcastellioq.ariel.ctu.unimi.it/v3/Home/
2) L. Mandel, E. Wolf ''Optical Coherence and Quantum Optics'', Cambridge University Press
3) G.Grynberg, A.Aspect and C.Fabre ''Introduction to Quantum Optics'', Cambridge University Press
4) R. Puri, ''Mathematical methods of quantum optics'', Springer (Berlin)
5) G.S.Agarwal ''Quantum Optics'', Cambridge University Press
Periodo
Secondo semestre
Periodo
Secondo semestre
Modalità di valutazione
Esame
Giudizio di valutazione
voto verbalizzato in trentesimi
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)