Università degli studi dell'Insubria

QUANTUM OPTICS

A.A. di erogazione 2018/2019
Insegnamento opzionale

Laurea Magistrale in FISICA
 (A.A. 2018/2019)
Anno di corso: 
1
Tipologia di insegnamento: 
Caratterizzante
Settore disciplinare: 
FISICA DELLA MATERIA (FIS/03)
Lingua: 
Inglese
Crediti: 
6
Ciclo: 
Primo Semestre
Ore di attivita' frontale: 
48
Dettaglio ore: 
Lezione (48 ore)

L’Ottica Quantistica studia la natura quanto-meccanica della luce e la sua interazione con la materia. Nata all’inizio del secolo scorso, questa disciplina ha avuto negli ultimi 30 anni formidabili sviluppi.
Il corso costituisce una introduzione di tipo teorico alla materia. L’obiettivo è di fornire allo studente gli strumenti formali essenziali per addentrarsi in questo affascinante campo, e illustrarne i concetti fondamentali, alla luce di alcuni moderni esperimenti.

Prerequisiti: 

Conoscenze di elettromagnetismo e di meccanica quantistica di base.

1.La descrizione quantistica della luce
-Richiami di elettromagnetismo classico: equazioni di Maxwell, potenziali, equazione delle onde
-Cavità di quantizzazione, espansione in modi normali
-L’oscillatore armonico in meccanica quantistica
-Energia classica, quantizzazione, Campo elettrico e magnetico quantizzati, Stati di Fock

2.Gli stati classici e quasi-classici del campo elettromagnetico
-Richiami di formalismo di meccanica quantistica, stati puri e stati miscela
-Lo stato di equilibrio termico, definizione e proprieta’
-Gli stati coerenti del campo e.m, come autostati dell’operatore di distruzione, e come stati a minima indeterminazione: statistica del numero di fotoni e delle quadrature del campo.

3.Interferometria a singoli fotoni
-Il Beam-Splitter e l’ interferometro di Mach Zender in ottica quantistica.
-Lo stato a singolo fotone, esperimento di Grangier et al. (1986).
-Interferometria a singoli fotoni, dualismo onda-corpuscolo. Esperimento concettuale di Weeheler di scelta ritardata (2007) e misure in assenza di interazione
-L’effetto Hong-Ou-Mandel

4.Gli stati non-classici del campo elettromagnetico: stati squeezed e entangled
-Gli stati squeezed del campo elettromagnetico
-Rappresentazioni quasi -classiche: la funzione di Wigner
-Lo stato di vuoto squeezed
-Gli stati squeezed coerenti
-Entanglement in variabili continue: lo stato squeezed a due modi, entanglement nelle quadrature del campo e paradosso EPR

5.Generazione di stati entangled in cristalli non-lineari: fasci e fotoni gemelli
-Richiami di Ottica Nonlineare.
-Descrizione quantistica della conversione parametrica in frequenza (PDC)
-Formalismo di stato per il processo di PDC: stato entangled generato, fasci gemelli
-Confronto fra correlazioni di origine quantistica e classica
-Cenni ad applicazioni alla metrologia e/o alla comunicazione quantistica: misure ad alta sensibilita’ con correlazione quantistica

6.Interazione della luce quantizzata con sistemi atomici
-Interazione di un atomo a due livelli con un singolo modo di radiazione. Regime della elettrodinamica quantistica in cavità (Cavity QED)
-Il modello semiclassico di Rabi
-Il modello quanto-meccanico di Jaymes-Cummings
-Cenni ad esperimenti storici di elettrodinamica quantistica in cavita.

7.Dissipazione e decoerenza: la Master Equation quantistica in ottica
-La Master Equation in approssimazioni di Born e Markov
-Atomo a due livelli interagente con il continuo di modi del campo e.m. dello spazio libero.
-Relazioni di Kramers-Kronig per il contributo dispersvo e dissipativo, bilancio dettagliato.Calcolo dei coefficienti dissipativi per l’atomo a due livelli.
-Approccio all’equilibrio (rate equations,decoerenza, equazioni per i valori medi)

Lezioni frontali, svolte alla lavagna o mediante slides

Modalita' di verifica dell'apprendimento: 

Prova finale scritta o orale, a scelta dello studente.
Allo studente viene richiesto di svolgere due (tre) temi d’esame, riguardanti argomenti trattati durante il corso. L’elaborato viene discusso insieme allo studente, e viene eventualmente richiesto di approfondire alcuni punti.

•C.G Gerry and P. L. Knight, Introductory quantum Optics (Cambridge University Press, 2004)
•Appunti e slides delle lezioni, fornite durante il corso dal docente

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A.A. 2019/2020

Anno di corso: 1
Curriculum: FISICA GENERALE
Anno di corso: 1
Curriculum: OTTICA