"Fisica Quantistica",
S. Forte, L. Rottoli, Zanichelli.
"Quantum mechanics : a paradigms approach",
D. H. McIntyre, Pearson.
"A short Introduction to Quantum Information and Quantum Computation”,
M. Le Bellac, Cambridge University Press.
"Quantum Computation and Quantum Information",
M. A. Nielsen, I. L. Chuang, Cambridge University Press.
Altri riferimenti indicati dai docenti durante le lezioni:
"Quantum Chance: Nonlocality, Teleportation and Other Quantum Marvels"
Nicolas Gisin, Springer
Obiettivi Formativi
Il corso è pensato come una introduzione alla fisica quantistica per gli studenti del CdS triennale in Fisica ma è aperto a tutti gli studenti interessati; nella parte iniziale del corso vengono introdotti i concetti necessari alla comprensione della “seconda rivoluzione quantistica”; una serie di lezioni tenute insieme ad altri colleghi illustrano questi concetti con esempi tratti dagli sviluppi recenti negli ambiti indicati nella European Quantum Flagship: computer quantistici, comunicazioni quantistiche, sensori quantistici, simulatori quantistici.
Prerequisiti
Buona conoscenza della fisica classica. Utile ma non indispensabile una conoscenza delle basi della fisica quantistica.
Metodi Didattici
Lezioni in aula/online (modalita' duale).
Nella prima parte del corso vengono introdotti i concetti necessari alla comprensione della “seconda rivoluzione quantistica”; nella seconda parte del corso, una serie di lezioni tenute insieme ad altri colleghi illustrano questi concetti con esempi tratti dagli sviluppi recenti negli ambiti indicati nella European Quantum Flagship.
Altre Informazioni
Ricevimento: su appuntamento.
Modalità di verifica apprendimento
Esame orale sugli argomenti trattati nella prima parte del corso e su un argomento a scelta dello studente tra quelli trattati nella seconda parte del corso. La valutazione: Lo studente dovrà utilizzare un linguaggio appropriato dimostrando la comprensione dei processi fisici principali, e di come le assunzioni di partenza determinano i risultati finali. Domande più specifiche potrebbero essere poste durante l'esposizione degli argomenti per meglio determinare il livello di comprensione da parte dello studente. Lo studente dovrà essere in grado di fare semplici calcoli a ordini di grandezza ma anche sviluppare completamente il modello matematico laddove questo sia stato presentato a lezione.
Programma del corso
- Introduzione al corso (Tino)
La fisica quantistica; la seconda rivoluzione quantistica; le tecnologie quantistiche; quantum manifesto e quantum flagship.
- Qubit. Interferenza quantistica (Tino)
Polarizzazione del fotone, spin-1/2 e esperimenti alla Stern Gerlach, sistemi a due livelli in atomi, quantum dots, etc.. Interferenza quantistica.
- Formalismo della fisica quantistica (Tino)
Stati e notazione di Dirac. Operatori e matrici. Postulati della meccanica quantistica.
- Formalismo della fisica quantistica (Tino)
Cambiamenti di base. Operatori unitari ed hermitiani. Il principio di indeterminazione.
- Formalismo della fisica quantistica (Tino)
Qubit. Matrice densità. Rappresentazione di un sistema a due livelli sulla sfera di Bloch. Equazione del moto del vettore di Bloch.
- Entanglement tra due particelle (Cataliotti)
Paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen. Entanglement quantistico.
- Disuguaglianze di Bell e nonlocalità (Cataliotti)
Disuguaglianze di Bell e test sperimentali.
- Quantum teleportation (Cataliotti)
Quantum teleportation: esperimenti e applicazioni per quantum communication.
- I paradossi della meccanica quantistica (Smerzi)
(i) E' possibile comunicare istantaneamente violando la relatività? Il protocollo FLASH. (ii) Possiamo clonare una pecora quantistica? (iii) Clonazione quantistica e relatività.
- Circuiti Quantistici e IBM Q (Caruso)
Porte logiche quantistiche, circuiti, algoritmi quantistici, IBM Quantum Experience.
- Quantum Machine Learning (Caruso)
Introduzione al Quantum Machine Learning, circuiti quantistici parametrici, Google AI Quantum, Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) devices.
- Realizzazione pratica di quantum computers (Sias)
Encoding di un qubit nello stato interno di un atomo, confinamento di particelle cariche con campi elettrici, cristalli di Coulomb, computer quantistici con ioni: realizzazione di trasformazioni a un qubit, realizzazione di porte logiche a due qubit (Cirac-Zoller gate).
- Realizzazione pratica di quantum computers (Sias)
Qubit in singoli fotoni, qubit in polarizzazione, teoria quantistica del beamsplitter. Qubit a superconduttore. Giunzioni Josephson. Qubit di flusso e qubit di carica.
- Tecnologie quantistiche fotoniche (Toninelli)
Tecnologie quantistiche fotoniche. What is a photon? State of the art of Single photon sources.
- Quantum emitters in the solid state (Toninelli)
Quantum emitters in the solid state. Light-matter interfaces. More applications of quantum emitters.
- Quantum key distribution (Zavatta)
Crittografia classica, limiti dei protocolli classici. Codifica dell’informazione con stati quantistici della luce. Misure proiettive in meccanica quantistica. Protocollo BB84 (Alice, Bob e Eve). Correzione degli errori e privacy amplfication. QKD nell’area fiorentina. Protocolli di comunicazione quantistica con entanglement.
- Quantum sensing (Pezzè)
Quantum sensing as the art of distinguishing quantum states. Example of sensing using a separable state of many qubits (coherent spin state). Example of sensing using an entangled state of many qubits (GHZ state)
- Sensing by quantum coherence (Fabbri)
Ramsey protocol. Decoherence and the fundamental limit to sensitivity. Dynamical decoupling. Noise spectroscopy.
- Nanoscale quantum sensors (Fabbri)
Quantum sensing: operational definitions. General introduction on colour centers in diamond. Diamond Material Engineering. Sensing applications of diamond NV centers.
- Orologi e interferometri atomici (Salvi)
Schema di Ramsey e orologi atomici. Orologi atomici ottici. Interferometri atomici.
- Quantum sensing & metrology (Salvi)
Stima della fase, stati coerenti, Limite Quantistico Standard e limite di Heisenberg. Stati altamente entangled (NOON, gatto di Schroedinger, stati di Dicke). Stati spin squeezed. Realizzazioni sperimentali con atomi.
- Introduzione alla simulazione quantistica (Fallani)
Cos’è un simulatore quantistico? Motivazione, definizione, implementazione. Simulazione quantistica analogica e digitale. Introduzione alla simulazione con gas quantistici ultrafreddi: metodi sperimentali e principali tecniche di controllo e di rivelazione.
- Introduzione alla simulazione quantistica (Fallani)
Esempi semplici di simulatori quantistici analogici con atomi in reticoli ottici: potenziali periodici ottici, bande di energia, trasporto, localizzazione. Cenni ad esperimenti con altre piattaforme basate su controllo di singolo atomo/ione.
- Visita laboratori (Tino)
Visita dei laboratori UNIFI, CNR, INRIM, INFN. R&D su tecnologie quantistiche.