9795819 - COMPUTATIONAL QUANTUM OPTICS

Il corso ha lo scopo di presentare argomenti selezionati di Fisica Quantistica nell'ambito dell'Ottica Quantistica Moderna, dal punto di vista teorico, insieme ai relativi metodi computazionali sviluppati con un software dedicato (Mathematica) come strumento numerico. Il corso si propone di formare gli studenti nella modellizzazione numerica e alla risoluzione di problemi avanzati di Ottica Quantistica, con un grande impatto nella ricerca teorica e applicativa nel campo di ricerca della cavity-QED e dei circuiti quantistici a superconduttori (circuit-QED).

Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding). Conoscenza delle idee fondamentali e delle tecniche teoriche/numeriche per la rappresentazione di sistemi ottici quantistici complessi e per lo studio della loro dinamica. Conoscenza dei principi di funzionamento dei sistemi fisici e del loro stato dell'arte.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding). Capacità di applicare l'astrazione logica dei concetti fisici attraverso analogie al fine di codificare fenomeni. Utilizzare la conoscenza acquisita nel contesto dell'ottica quantistica moderna e della fisica quantistica avanzata.

Autonomia di giudizio (making judgements). Capacità di sviluppare la propria interpretazione dei fenomeni fisici, e capacità di collaborazione con un gruppo di ricerca. Capacità di trovare la propria responsabilità per una corretta scelta dei corsi e della tesi finale, con particolare riguardo alla possibilità di investire il know-how acquisito per opportunità di lavoro o posizioni post-doc.

Abilità comunicative (communication skills). Capacità di argomentare (in lingua italiana e inglese), elaborare e modellizare concetti fisici appresi.

Capacità di apprendimento (learning skills). Capacità di acquisire competenze che consentono un continuo aggiornamento delle proprie conoscenze, accedendo all'ambiente di ricerca e alla letteratura specializzata. Capacità di sfruttare la ricerca bibliografica attraverso l'utilizzo di banche dati al fine di sviluppare la propria ricerca scientifica.

Lezioni frontali (5 CFU - 35 ore) e laboratorio informatico (1 CFU esercitazione informatica - 15 ore).
Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Conoscenze indispensabili: Elettromagnetismo e Meccanica Quantistica di base

Conoscenze importanti: istituzioni di Struttura della Materia.

La frequenza al corso è di norma obbligatoria (consultare il Regolamento Didattico del Corso di Studi)

Modellizzazione di sistemi quantistici: oscillatore armonico quantistico, circuito LC quantistico, stati di Fock - base numero, quantizzazione del campo elettromagnetico in cavità, sistema a due livelli, modellizzazione numerica dello spazio di Hilbert, problema agli autovalori ed implementazione numerica.

Dinamica coerente: sistemi driven, shortcut numerici, frame rotante and rotating wave approximation, oscillazioni di Rabi, modello di Jaynes-Cummings, vacuum Rabi oscillations.

Quantum Optics tools: fotorivelatori, interferometro di Mach-Zender, apparato di Hanbury Brown-Twiss, beam splitter, phase shifter, interferenza di un singolo fotone, wich-way information, esperimento di Elitzur-Weidman.

Proprietà statistiche della luce: concetto di fotorivelazione, relazioni di input-output, statistica dei fotoni, luce coerente e termica, photon antibunching, luce squeezed, funzione di Wigner.

Sistemi quantistici aperti: interazione sistema-bagno termico, equazioni di Heisenberg-Langevin, matrice densità, optical master equation e la sua derivazione, soluzione stazionaria dello stato termico, atomo in cavità aperta, implementazione numerica della master equation per sistemi interagenti.

Argomenti selezionati: equazione di Fokker-Planck, Monte Carlo Quantum Jump.

[1] Mark Fox, Quantum Optics - An Introduction, Oxford University Press (2006)

La modalità di esame si divide in due fasi:

1) un elaborato su un argomento del corso che verrà esposto in modalità seminariale, richiedendo anche l'implementazione numerica dell'argomento trattato

2) un colloquio orale su un argomento scelto del docente.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Le domande di seguito riportate non costituiscono un elenco esaustivo ma rappresentano solo alcuni esempi:

- Trovare la distribuzione statistica del numero di fotoni di uno stato coerente

- Cosa caratterizza l'esperimento di Elitzur-Weidman?

- Da cosa dipendono le vacuum Rabi oscillations?

- Si trovi il numero medio di fotoni di una cavità in equilibrio termico col suo environment