- Quantum Photonics
- Summary
Course Syllabus
Obiettivi
Questo corso guiderà gli studenti attraverso il campo dell'ottica quantistica, con una particolare attenzione su come implementare tecnologie come la sensoristica e la comunicazione quantistica utilizzando tecniche ottiche e circuiti fotonici. Gli studenti avranno la possibilità di conoscere i materiali e i metodi necessari per creare, manipolare e leggere gli stati quantistici della luce. Saranno discussi i principali risultati e le sfide future nel campo, tra cui la computazione quantistica fotonica e l'internet quantistica.
Obiettivo principale del corso è quindi quello di fornire una conoscenza di base della descrizione quantistica della luce. Inoltre, il corso fornirà una prospettiva sperimentale su fenomeni legati all'interazione radiazione-materia. La discussione di specifiche applicazioni amplierà il background dello studente nel campo dell’ottica e fornirà approfondimenti tecnologici sui materiali per la fotonica quantistica.
Contenuti sintetici
• Statistica dei fotoni e materiali per emettitori quantistici
• Interazione radiazione-materia e fotorivelazione
• Elaborazione dell'informazione quantistica e crittografia quantistica
• Interferometria, entanglement, teletrasporto
• Quantum internet e computazione basata su fotoni
Programma esteso
Statistiche fotoniche: classificazione statistica della luce, sorgenti coerenti, rumore e teoria quantistica della fotorivelazione.
Quantizzazione del campo elettromagnetico: Stati di Fock e stati squeezed, fluttuazioni di vuoto e effetto Casimir, rivelazione delle onde gravitazionali.
Interferometria: materiali per sorgenti e per rivelatori a singolo fotone, esperimento Hanbury Brown-Twiss, interferenza Hong-Ou-Mandel, eraser quantistico, photon bunching and anti-bunching.
Crittografia quantistica: Principi di crittografia classica e quantistica, generazione quantistica di numeri casuali, distribuzione della chiave quantistica attraverso fotoni singoli, protocollo BB84.
Stati entangled: coppie di fotoni entangled, test sperimentali del teorema di Bell, della disuguaglianza CHSH e del teletrasporto quantistico. Entanglement swapping.
Interfacce Spin-fotone: orientamento ottico spin, internet quantistica.
Applicazioni avanzate: materiali e principi per il calcolo quantistico fotonico, gate logici fotonici e boson sampler.
Prerequisiti
Gli studenti dovrebbero avere conoscenza delle onde elettromagnetiche e comprensione della meccanica quantistica e della struttura della materia a livello dei corsi universitari di base. La conoscenza della fisica atomica e delle proprietà ottiche dei solidi è vantaggiosa.
Modalità didattica
Il docente spiega e deriva formalmente i nuovi concetti utilizzando un tablet sempre in modalità erogativa in presenza (due lezioni a settimana da due ore ciascuna per tutta la durata del semestre). Le derivazioni formali sono sempre seguite da applicazioni. All'inizio di ogni lezione, il docente richiama brevemente il contenuto della lezione precedente.
Materiale didattico
Dispense del corso e articoli messi a disposizione degli studenti tramite la presente piattaforma e-learning.
Testo adottato per l'insegnamento (disponibile anche in formato e-book attraverso la biblioteca d’ateneo): Mark Fox, Quantum Optics, Oxford University Press.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La modalità di verifica del profitto consiste in una prova orale finale per la verifica delle competenze, della capacità di analisi critica e delle capacità comunicative nell'ambito disciplinare del corso. A tale scopo e per raffinare le soft-skill, sarà data la possibilità aggiuntiva di preparare una presentazione breve su uno specifico argomento del corso. Non sono previste prove parziali.
Orario di ricevimento
Gli studenti possono essere ricevuti in qualunque giorno della settimana e in qualunque orario, purché prendano appuntamento col docente via e-mail.
Sustainable Development Goals
Aims
This course will guide students through the field of quantum optics, with a special focus on how to implement quantum technologies like quantum communication and sensing using optical techniques and photonic circuits. Students will have the possibility to get acquainted with materials and methods needed to create, manipulate, and read out quantum states of light. Major achievements and future challenges in the field will be discussed, including photonic quantum computation and quantum internet.
The main goal of this course is to provide a basic knowledge of the quantum description of light. In addition, the course will provide an experimental perspective on phenomena based on light-matter interaction. The discussions of relevant applications will expand the student’s background in optics and will aim at providing technological insights into materials for quantum photonics.
Contents
• Photon statistics and materials for quantum emitters
• Light-matter interaction and photodetection
• Quantum information processing and quantum cryptography
• Interferometry, entangled states, teleportation
• Quantum internet and photonic computing
Detailed program
Photon statistics: classification of light by statistics, coherent sources, shot noise and quantum theory of photodetection.
Quantization of the electromagnetic field: Fock and squeezed states, vacuum fluctuations and the Casimir effect, gravitational wave detection.
Interferometry: materials platforms for single photon sources and detectors, Hanbury Brown-Twiss experiment, Hong-Ou-Mandel interference, quantum eraser, photon bunching and anti-bunching.
Quantum cryptography: Principles of classic and quantum cryptography, quantum random number generation, quantum key distribution using single photons, BB84 protocol.
Entangled states: entangled photon pairs, experimental tests of Bell’s theorem, CHSH inequality, and quantum teleportation. Entanglement swapping.
Spin-photon interfaces: Optical spin orientation, quantum internet.
Advanced applications: materials and principles for photonic quantum computing, photonic logic gates and boson sampling.
Prerequisites
Students should have knowledge of electromagnetic waves, quantum mechanics and structure of matter at the level of undergrad introductory courses. Knowledge of atomic physics and optical properties of solids is advantageous.
Teaching form
The instructor explains and formally derives the new concepts using a tablet always through conventional in-presence lectures (so-called 'didattica erogativa'). Two lectures per week, two hours per lecture during the whole semester. Formal derivations are always followed by applications. At the beginning of each lesson, the instructor briefly recalls the content of the previous lecture.
Textbook and teaching resource
Lecture notes and papers made available to students through this e-learning platform. Adopted Text (also available in e-book format through the university library): Mark Fox, Quantum Optics, Oxford University Press.
Semester
First semester
Assessment method
The assessment relies on a final oral test. During the examination, the instructor evaluates the student's learning level, the capacity of critical thinking and the communication capabilities pertaining to the specific field. Regarding the latter point and to refine the soft-skills, there will be the additional opportunity to deliver a short presentation on a specific topic introduced during the lectures. There will be no intermediate tests.
Office hours
From Monday to Friday at any working hour, provided that students ask for an appointment with the instructor by email.