Course Syllabus
Obiettivi
Sviluppo di competenze sperimentali relative ai materiali, ai dispositivi e alle tecnologie quantistiche mediante tecniche di laboratorio avanzate basate principalmente sulla spettroscopia ottica e sull’analisi di dispositivi quantistici a superconduttore. Questo insegnamento contribuisce in modo coerente al corso di studi attraverso i seguenti obiettivi formativi:
Conoscenza, comprensione e capacità applicative: gli studenti acquisiranno conoscenza dei metodi di indagine propri della Fisica sperimentale e di tematiche avanzate nel campo delle discipline fisiche utili alla risoluzione di problemi complessi.
Autonomia di giudizio: gli studenti saranno indirizzati ad approfondire in modo autonomo argomenti avanzati e a formulare giudizi critici mediante l'uso del metodo scientifico.
Abilità comunicative: gli studenti svilupperanno capacità di comunicare in modo sinergico all'interno di gruppi di lavoro e a esporre in modo chiaro i risultati conseguiti.
Capacità di apprendere: capacità di consultare materiale didattico e la letteratura scientifica di riferimento, integrandola in modo autonomo laddove necessario.
Contenuti sintetici
Realizzazione di un esperimento volto all'osservazione e gestione dei fenomeni quantistici. Lo studente potrà approfondire l’ambito di maggior interesse tra materiali quantistici e dispositivi criogenici per calcolo e metrologia quantistici.
Programma esteso
Il corso consiste in una esperienza di laboratorio eseguita da studenti suddivisi in gruppi da tre o quattro persone.
Le attività laboratoriali saranno precedute da lezioni introduttive sulla correlazione tra proprietà fisiche dei solidi, effetti di quantizzazione e relative tecniche di indagine sperimentale. Oltre al design dell'esperimento e alla caratterizzazione del sistema in esame, le attività saranno completate dell'analisi dati e dalla stesura di una relazione scritta.
Esempi di esperienze:
Turno di Stato Solido:
- Esperimenti di ottica quantistica basati su fotoni singoli e quantum key distribution;
- Orientazione ottica di spin e effetti di confinamento quantistico nelle transizioni ottiche;
- Design e caratterizzazione di un emettitori a quantum dot per applicazioni in quantum information;
- Fabbricazione e caratterizzazione di nanoantenne fotoniche per applicazioni in quantum communication.
Turno Laboratorio di criogenia:
- Caratterizzazione, controllo e lettura di un qubit superconduttivo;
- Rivelazione di singolo fotone ottico con rivelatore criogenico;
- Caratterizzazione di un amplificatore parametrico con livello di rumore quantistico.
Prerequisiti
Laurea di I livello in fisica o equivalente
Modalità didattica
L'insegnamento si avvale di didattica interattiva (laboratorio). Le attività sperimentali si svolgeranno presso i laboratori dell’U2 e dell’U5.
Materiale didattico
Testi di riferimento (disponibili anche in formato e-book attraverso la biblioteca d’ateneo):
Dispense del docente
J. H. Davies "The Physics of Low-dimensional Semiconductors", Cambridge University Press
F. Fox "Optical Properties of Solids", Oxford University Press
I. Pelant and J. Valenta " Luminescence Spectroscopy of Semiconductors", Oxford University Press
A.M. Zagoskin "Quantum Engineering - Theory and Design of Quantum Coherent Structures", Cambridge University Press
G. Ventura, L. Risegari - The Art Of Cryogenics
F. Pobell - Matter and Methods at Low Temperatures
David M. Pozar - Microwave Engineering
Serge Haroche, Jean-Michel Raimond - Exploring the Quantum: Atoms, Cavities, and Photons
Riccardo Manenti and Mario Motta - Quantum Information Science
Michael A. Nielsen, Isaac L. Chuang - Quantum Computation and Quantum Information
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La modalità di verifica del profitto consiste in una relazione scritta di gruppo approfondita in un esame orale (con una presentazione) finale per la verifica delle competenze e delle capacità comunicative in ambito disciplinare.
Non sono previste prove parziali.
La valutazione è basata anche sulla capacità dimostrata nello svolgimento dell’esperienza in laboratorio.
Orario di ricevimento
Il ricevimento è previsto in modalità a sportello, previa richiesta via e-mail al docente. Sul sito web d’ateneo è possibile reperire le informazioni relative alla sede universitaria e all’indirizzo specifico del docente.
Sustainable Development Goals
Aims
Development of experimental skills in quantum materials, devices and technologies through advanced laboratory techniques based mainly on optical spectroscopy and the analysis of superconducting quantum devices. This course contributes in a coherent way to the master’s degree programme through the following learning objectives:
Knowledge, understanding and application of the skills: students will acquire knowledge of the research methodology pertaining to experimental physics and will learn advanced topics in the area of physical sciences that are needed to solve complex problems.
Making judgment: students will be directed to deepen advanced topics in an independent way and to make critical judgments using the scientific method.
Communication skills: students will develop the ability to communicate synergistically in teamwork and present effectively their achievements.
Learning skills: ability to consult teaching material and the pertinent scientific literature, integrating the sources autonomously whenever necessary.
Contents
Implementation of an experiment based on the application of quantum physics. The student will be able to investigate a specific area choosing between quantum materials and cryogenic devices for quantum computation and metrology.
Detailed program
The course consists of an experiment performed by students divided into groups of three or four people.
The lab activities will follow introductory lessons on the correlation between physical properties of the solids, quantization effects and the associated experimental techniques. Besides the design of the experiment, students will conduct the characterization of the system under examination, complementing the activities with data analysis and a written report.
Examples of experiences:
Solid State group:
- Quantum optics experiments using single photons and quantum key distribution;
- Optical spin orientation and effects of quantum confinament on optical transitions;
- Design and characterization of quantum dot emitters for applications in quantum information;
- Fabrication and characterization of photonic nanoantennas for quantum communication applications.
Cryogenic lab group:
- Characterization, control and readout of a superconducting qubit;
- Single photon detection by means of a cryogenic detector;
- Characterization of a parametric amplifier with quantum limited readout noise.
Prerequisites
Bachelor in physics or equivalent.
Teaching form
Teaching makes use of interactive teaching (laboratory). The practical sessions will be conducted in the laboratories located in the buildings U2 and U5.
Textbook and teaching resource
References (available also as e-book through the University’s library):
Lecture notes provided by the instructor
J. H. Davies "The Physics of Low-dimensional Semiconductors", Cambridge University Press
F. Fox "Optical Properties of Solids", Oxford University Press
I. Pelant and J. Valenta " Luminescence Spectroscopy of Semiconductors", Oxford University Press
A.M. Zagoskin "Quantum Engineering - Theory and Design of Quantum Coherent Structures", Cambridge University Press
G. Ventura, L. Risegari - The Art Of Cryogenics
F. Pobell - Matter and Methods at Low Temperatures
David M. Pozar - Microwave Engineering
Serge Haroche, Jean-Michel Raimond - Exploring the Quantum: Atoms, Cavities, and Photons
Riccardo Manenti and Mario Motta - Quantum Information Science
Michael A. Nielsen, Isaac L. Chuang - Quantum Computation and Quantum Information
Semester
First semester
Assessment method
The assessment method consists of a project work written by the group and its discussion in a final oral exam (with a presentation) to evaluate the knowledge and the communication skills in the disciplinary field.
Tests will not be conducted in itinere.
The final mark is also based on the skill showed in the development of the lab experiment.
Office hours
A help desk will be provided to the students upon direct request via email to the instructor. All the information related to the contacts and office address can be found at the university website.
Sustainable Development Goals
Staff
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Marco Faverzani
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Elena Ferri
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Andrea Giachero
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Richard Noetzel
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Fabio Pezzoli
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Stefano Vichi
