87951 - QUANTUM STATES OF MATTER AND RADIATION

Conoscenze e abilità da conseguire

At the end of the course, the student will become confident with the intrinsic and specific properties of states of a quantum system, acquiring knowledge about: the notion of entanglement and its manifestation through correlations existing in quantum matter; the quantum nature of light and its interaction with atoms. The student will be able to interpret some notable quantum phenomena involved in the manipulation of atoms and electromagnetic radiation, in order to study modern quantum information and computation theory.

Contenuti

Questo corso fornisce un'introduzione alle idee standard dell'informazione quantistica, con applicazioni all'ottica quantistica e alle interazioni luce-materia e cenni alla teoria della computazione quantistica e alle tecnologie quantistiche. Il corso è suddiviso in due moduli: Il modulo 1 fornisce un'introduzione ai concetti, alle idee e alle tecniche dell'informazione quantistica, mentre il modulo 2 si concentra sull'ottica quantistica e sulle interazioni luce-materia.

Module 1: Entanglement, quantum information and quantum computation (L. Piroli - 32h)

• States and ensembles: Density matrices. Schmidt decomposition
• Quantum measurements: projective-valued measures (PVM) and positive operator-valued measures (POVM)
• Quantum evolution: Quantum channels and operations. CPT maps. Kraus and Stinesrping representations. Examples.
• Entanglement theory: EPR and Bell inequalities, entanglement measures
• Elements of Quantum Shannon Theory
• Entanglement as a resource. Local operations and classical communication. Dense coding, teleportation, quantum key distribution
• Elements of Quantum Computing

Module 2: Quantum states of atoms and light (C. Degli Esposti Boschi - 16h)

• Quantum theory of light; electromagnetic oscillator, Fock states
• Coherent states: theory and properties, squeezed states
• Atoms in e.m. field; dipole approximation; the Rabi and Jaynes-Cummings models
• Some notions on macroscopic quantum-coherent phenomena: introduction to superfluidity and superconductivity; explanation of basic phenomenology in terms of macroscopic wave function; BEC with ultracold gases

Testi/Bibliografia

Gli appunti delle lezioni saranno disponibili online sul sito del corso. Risulteranno utili i seguenti testi

Entanglement, quantum information and quantum computation

1) Michael A. Nielsen, Isaac L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information, ‎Cambridge University Press

2) Mark M. Wilde, Quantum Information Theory, Cambridge University Press

Quantum states of atoms and light

1) Lecture notes available on the repository virtuale.unibo.it

2) Christopher C. Gerry, Peter L. Knight, Introductory Quantum Optics, Cambridge University Press, Cambridge (2005)

3) Ulf Leonhardt, Measuring the Quantum State of Light, Cambridge University Press, Cambridge (1997)

Metodi didattici

Lezioni in classe

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Esame orale.

Consiste in (almeno) due domande, una per ogni parte del programma.

Gli studenti devono dimostrare di conoscere e comprendere bene i diversi argomenti. Verrà richiesto sia di presentare un'introduzione agli argomenti principali che di dimostrare padronanza degli aspetti specifici, creando collegamenti tra le diverse parti del programma.

Il voto finale terrà conto dell'organizzazione della presentazione e dell'uso di linguaggio scientifico appropriato.

La lode sarà assegnata agli studenti che dimostreranno un'analisi critica e un'elaborazione personale della materia.

Come da regole generali dell'Università, gli studenti potranno rifiutare il voto una sola volta, ma potranno ritirarsi in qualsiasi momento durante l'esame.

Strumenti a supporto della didattica

Gli appunti delle lezioni saranno disponibili online sul sito del corso.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Lorenzo Piroli

Consulta il sito web di Cristian Degli Esposti Boschi