QUANTUM OPTICS

Anno accademico 2019/2020 - 1° anno - Curriculum CONDENSED MATTER PHYSICS
Docente: Giovanni PICCITTO
Crediti: 6
SSD: FIS/02 - FISICA TEORICA, MODELLI E METODI MATEMATICI
Organizzazione didattica: 150 ore d'impegno totale, 108 di studio individuale, 42 di lezione frontale
Semestre:

Obiettivi formativi

Fornire gli strumenti matematici e teorici atti a descrivere: 1) gli effetti dell’interazione della luce con sistemi quantistici, per rendere lo studente in grado di affrontare e comprendere gli sviluppi attuali nel campo della manipolazione di sistemi quantistici finalizzata allo sviluppo di sistemi di informazione quantistica e di dispositivi ottici; 2) la natura quantistica della radiazione elettromagnetica, per introdurre lo studente ad alcuni recenti aspetti della ricerca sui fondamenti della meccanica quantistica. Alla fine del corso lo studente deve essere in grado di affrontare e sviluppare autonomamente l'approfondimento dei principali campi di ricerca e applicazione dell'ottica quantistica.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali.


Prerequisiti richiesti

Elementi di Elettrodinamica Classica, Meccanica Quantistica


Frequenza lezioni

Obbligatoria


Contenuti del corso

Modello di Lorentz di interazione atomo-campo elettromagnetico. Cenni di teoria perturbativa dipendente dal tempo. Approccio semiclassico: atomi interagenti con un campo elettromagnetico classico. Processi di interazione atomo-luce. Hamiltoniano di interazione. Transizioni tra livelli atomici pilotati da un campo elettromagnetico oscillante. Assorbimento tra livelli di vita media finita. Amplificazione laser. Equazioni di Rate. Matrice densità e equazioni ottiche di Bloch. Manipolazione delle coerenze quantistiche. Frange di Ramsey. “Photon Echoes”. Trasparenza indotta elettromagneticamente. Slow light. Quantizzazione del campo elettromagnetico libero. Stato fondamentale di radiazione. Radiazione di singolo modo. Stati numero e stati coerenti. Radiazione multimodale. Interazione atomo-radiazione elettromagnetica quantizzata. Processi di interazione. Emissione spontanea. Elettrodinamica quantistica di una cavità. Effetto Purcell. Introduzione all’ottica non lineare. “Three-wave mixing”.

Per venire incontro agli interessi specifici degli studenti che frequentano il corso, gli argomenti delle lezioni possono subire delle variazioni rispetto all'ordine e anche al contenuto del programma previsto.


Testi di riferimento

1) Introduction to Quantum Optics From the Semi-classical Approach to Quantized Light GILBERT GRYNBERG ALAIN ASPECT CLAUDE FABRE CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS 2) The quantum theory of light Rodney Loudon Oxford University Press. 3) P.R. Berman e V.S.Malinovsky, Principles of laser spectroscopy and quantum optics, Princeton University Press.



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Modello di Lorentz di interazione luce-atomo, suscettività classica 
2 Permittività dielettrica, indici di rifrazione, velocità di gruppo 
3Coefficienti di Einstein 
4Sistema a due livelli, approsimazione semiclassica, soluzione perturbativa e “esatta”, oscillazioni di Rabi. Effetti di saturazione. Dark states.. 
5Matrice densità 
6Equazioni di evoluzione della matrice densità. Sfera di Bloch, equazioni ottiche di Bloch 
7Manipolazione degli stati atomici. Frange di Ramsey, effetto eco. 
8Sistemi a tre livelli. Trasparenza indotta. 
9Trattazione classica di ottica nonlineare 
10Equazioni di Maxwell in mezzi nonlineari: approssimazioni 
11 Three waves mixing. Relazione di Manley-Rowe. Amplificazione e fluorescenza paramentrica 
12Termini non lineari del terzo ordine. Effetto Kerr 
13Quantizzazione del campo elettromagnetico: linee guida 
14Stati quantistici della radiazione e.m. singolo modo: stati numero, quasiclassici, sqeezed 
15Specchi semitrasparenti, interferometro di Mach Zender 
16Manifestazioni della natura quantistica della radiazione 

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

Colloquio orale della durata di circa 45-60 min


Esempi di domande e/o esercizi frequenti

non disponibili