FUNDAMENTALS OF QUANTUM OPTICS

Obiettivi formativi

Nel corso viene fornita allo studente la conoscenza dei principi fondamentali alla base dell’interazione tra radiazione e materia studiati dal punto di vista semi-classico e quantistico. Inoltre, il corso prevede lo studio della natura quanto-meccanica della luce e alla sua caratterizzazione in diversi regimi statistici. Il programma del corso è inoltre rivolto allo studio dell’ottica non-lineare e di alcune applicazioni pratiche dell’ottica quantistica. A - Conoscenza e capacità di comprensione OF 1) Conoscere i fondamenti dell’ottica quantistica e dell’ottica non lineare OF 3) Comprendere i fenomeni legati all’interazione tra radiazione e materia, sia da un punto di vista semi-classico che quantistico B – Capacità applicative OF 4) Saper utilizzare modelli semi-classici e quantistici per la comprensione di fenomeni legati all’interazione tra radiazione e materia. OF 5) Saper applicare i principi base dell’ottica quantistica per la risoluzione di problemi semplici relativi alle conoscenze acquisite. C - Autonomia di giudizio OF 6) Essere in grado di giudicare quali fenomeni necessitano di una trattazione classica o quantistica della radiazione per essere compresi. OF 7) Sviluppare doti di ragionamento quantitativo e abilità di “problem solving” che rappresentano la base per studiare, modellizzare, e comprendere fenomeni quantistici legati all’interazione tra radiazione e materia. D – Abilità nella comunicazione OF 8) Saper comunicare le conoscenze apprese attraverso la presentazione di un lavoro scientifico collegato ad un argomento particolare affrontato a lezione. E - Capacità di apprendere OF 9) Avere la capacità di consultare articoli scientifici nell’ambito dell’ottica quantistica. OF 10) Avere la capacità di comprendere applicazioni pratiche che utilizzano i principi dell’ottica quantistica.

Canale 1
RINALDO TROTTA Scheda docente

Programmi - Frequenza - Esami

Programma
Teoria classica della coerenza e proprietà statistiche della radiazione. Luce coerente e caotica. Teoria semi-classica della foto rivelazione. Caratterizzazione della luce secondo la statistica fotonica. Interferometro di Mach-Zehnder. Coerenza al I ordine. L’interferometro di Hanbury Brown e Twiss. Coerenza al II ordine. Photon antibunching, evidenze sperimentali. (15 ore) Teoria quantistica del campo elettromagnetico. Quantizzazione del campo ad uno e più modi. Stati numero. Stati coerenti. Stati squeezed. Teoria quantistica del beam splitter. Teoria quantistica relativa all’esperimento di Hanbury-Brown e Twiss. Interferometria a singolo fotone. Effetto Hong-Ou-Mandel. Interferenza a due fotoni risolta in tempo (15 ore). Interazione atomo–radiazione. Hamiltoniana di interazione. Teoria delle perturbazioni per un sistema a due livelli. Oscillazioni di Rabi. Emissione spontanea. Allargamenti di riga. Coefficienti di Einstein. Equazioni di Bloch. Damping delle oscillazioni di Rabi. Teoria semi-classica del laser. Laser in regime steady-state. Laser in regime transiente. Laser mode locked. Laser a impulsi ultracorti. Basi dell’ottica non-lineare. Campo elettromagnetico in un mezzo non-lineare, approccio semi-classico. (15 ore) Modello quantistico completo per l’interazione radiazione-materia. Rate di emissione e assorbimento. Modello di Jaynes-Cumming. Oscillazioni di Rabi quantizzate. Scomparsa e rinascita delle oscillazioni di Rabi. Elettrodinamica quantistica in cavità: regime di accoppiamento forte e debole. Teoria di Weisskopf-Wigner per l’emissione spontanea. Regime di accoppiamento debole: Effetto Purcell. Sorgenti di fotoni singoli e di coppie di fotoni. Trattazione quantistica della fluorescenza parametrica. (15 ore)
Prerequisiti
a) E’ indispensabile conoscere le basi dell’elettromagnetismo classico b) E’ indispensabile conoscere le basi della meccanica quantistica c) E’ importante conoscere le basi di laboratorio di ottica.
Testi di riferimento
1) Loudon, The quantum theory of ligh, Oxford University Press; 2) Gerry and Knight, Introductory quantum optics, Cambridge University Press ; 3) Fox, Quantum optics, an introduction, Oxford University Press; 4) Grynberf, Aspect, Fabre, Introduction to quantum optics, Cambridge University Press.
Modalità insegnamento
Lo svolgimento del corso, di 6 CFU, si svilupperà attraverso 30 lezioni frontali di 2 ore ciascuna. Le lezioni sono incentrate sulla teoria, con esempi selezionati dalla letteratura. Gli argomenti trattati in ciascuna parte del programma vengono riportati sul sito web del corso, con l’indicazione dei testi consigliati.
Frequenza
La frequenza alle lezioni frontali è facoltativa, ma fortemente raccomandata.
Modalità di esame
L'esame finale è costituito da una prova orale. Tipicamente, l'orale prevede domande e lo svolgimento di esercizi scritti relativi al programma affrontato. Per superare l'esame lo studente deve essere in grado di presentare un argomento o ripetere un calcolo discusso durante il corso, di applicare i metodi appresi ad esempi e situazioni simili a quelle discusse durante il corso. Nella valutazione si terrà conto di: - correttezza dei concetti esposti; - chiarezza e rigore espositivo; - capacità di sviluppo analitico della teoria; - attitudine nel problem solving (metodo e risultati)
Modalità di erogazione
Lo svolgimento del corso, di 6 CFU, si svilupperà attraverso 30 lezioni frontali di 2 ore ciascuna. Le lezioni sono incentrate sulla teoria, con esempi selezionati dalla letteratura. Gli argomenti trattati in ciascuna parte del programma vengono riportati sul sito web del corso, con l’indicazione dei testi consigliati.
RINALDO TROTTA Scheda docente

Programmi - Frequenza - Esami

Programma
Teoria classica della coerenza e proprietà statistiche della radiazione. Luce coerente e caotica. Teoria semi-classica della foto rivelazione. Caratterizzazione della luce secondo la statistica fotonica. Interferometro di Mach-Zehnder. Coerenza al I ordine. L’interferometro di Hanbury Brown e Twiss. Coerenza al II ordine. Photon antibunching, evidenze sperimentali. (15 ore) Teoria quantistica del campo elettromagnetico. Quantizzazione del campo ad uno e più modi. Stati numero. Stati coerenti. Stati squeezed. Teoria quantistica del beam splitter. Teoria quantistica relativa all’esperimento di Hanbury-Brown e Twiss. Interferometria a singolo fotone. Effetto Hong-Ou-Mandel. Interferenza a due fotoni risolta in tempo (15 ore). Interazione atomo–radiazione. Hamiltoniana di interazione. Teoria delle perturbazioni per un sistema a due livelli. Oscillazioni di Rabi. Emissione spontanea. Allargamenti di riga. Coefficienti di Einstein. Equazioni di Bloch. Damping delle oscillazioni di Rabi. Teoria semi-classica del laser. Laser in regime steady-state. Laser in regime transiente. Laser mode locked. Laser a impulsi ultracorti. Basi dell’ottica non-lineare. Campo elettromagnetico in un mezzo non-lineare, approccio semi-classico. (15 ore) Modello quantistico completo per l’interazione radiazione-materia. Rate di emissione e assorbimento. Modello di Jaynes-Cumming. Oscillazioni di Rabi quantizzate. Scomparsa e rinascita delle oscillazioni di Rabi. Elettrodinamica quantistica in cavità: regime di accoppiamento forte e debole. Teoria di Weisskopf-Wigner per l’emissione spontanea. Regime di accoppiamento debole: Effetto Purcell. Sorgenti di fotoni singoli e di coppie di fotoni. Trattazione quantistica della fluorescenza parametrica. (15 ore)
Prerequisiti
a) E’ indispensabile conoscere le basi dell’elettromagnetismo classico b) E’ indispensabile conoscere le basi della meccanica quantistica c) E’ importante conoscere le basi di laboratorio di ottica.
Testi di riferimento
1) Loudon, The quantum theory of ligh, Oxford University Press; 2) Gerry and Knight, Introductory quantum optics, Cambridge University Press ; 3) Fox, Quantum optics, an introduction, Oxford University Press; 4) Grynberf, Aspect, Fabre, Introduction to quantum optics, Cambridge University Press.
Modalità insegnamento
Lo svolgimento del corso, di 6 CFU, si svilupperà attraverso 30 lezioni frontali di 2 ore ciascuna. Le lezioni sono incentrate sulla teoria, con esempi selezionati dalla letteratura. Gli argomenti trattati in ciascuna parte del programma vengono riportati sul sito web del corso, con l’indicazione dei testi consigliati.
Frequenza
La frequenza alle lezioni frontali è facoltativa, ma fortemente raccomandata.
Modalità di esame
L'esame finale è costituito da una prova orale. Tipicamente, l'orale prevede domande e lo svolgimento di esercizi scritti relativi al programma affrontato. Per superare l'esame lo studente deve essere in grado di presentare un argomento o ripetere un calcolo discusso durante il corso, di applicare i metodi appresi ad esempi e situazioni simili a quelle discusse durante il corso. Nella valutazione si terrà conto di: - correttezza dei concetti esposti; - chiarezza e rigore espositivo; - capacità di sviluppo analitico della teoria; - attitudine nel problem solving (metodo e risultati)
Modalità di erogazione
Lo svolgimento del corso, di 6 CFU, si svilupperà attraverso 30 lezioni frontali di 2 ore ciascuna. Le lezioni sono incentrate sulla teoria, con esempi selezionati dalla letteratura. Gli argomenti trattati in ciascuna parte del programma vengono riportati sul sito web del corso, con l’indicazione dei testi consigliati.
  • Codice insegnamento10621020
  • Anno accademico2025/2026
  • CorsoPhysics - Fisica
  • CurriculumPhysics of Biological Systems
  • Anno1º anno
  • Semestre1º semestre
  • SSDFIS/03
  • CFU6