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Onde coerenti: laser, olografia, teletrasporto

01POGNX

A.A. 2023/24

2020/21

Onde coerenti: laser, olografia, teletrasporto

Il corso sviluppa ed analizza alcune caratteristiche delle onde elettromagnetiche a partire dalle loro sorgenti attraverso l'utrilizzo dei potenziali elettromagnetici. Vengono inoltre presentati fenomeni ondulatori in genere. Vengono discussi fenomeni fisici e relative applicazioni connesse all’interferenza di onde coerenti che portano alla olografia. Vengono introdotti i materiali anisotropi e la propagazione di onde e.m. in materiali anisotropi. Vengono discussi i principi di funzionamento dei polarizzatori e degli interferometri. Si presentano le proprietà del campo elettromagnetico visto come formato da quanti con 2 stati di polarizzazione. Viene sviluppata l'algebra di polarizzazione delle onde e.m. Viene introdotta l'algebra quantistica di polarizzazione dei fotoni e analizzata l'analogia con l'algebra di spin elettronico. Il corso introduce un concetto proprio della fisica moderna applicandolo al caso della polarizzazione dei fotoni e degli elettroni: l’entaglement. Si introduce il paradosso EPR e il ragionamento fisico che ha portato alla disuguaglianza di Bell. Vengono discussi i rudimenti teorici e le configurazioni sperimentali di alcune moderne applicazioni tecnologiche quali la crittografia quantistica, il teletrasporto quantistico e la computazione quantistica.

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Aim of this course is to develop and analyze some features of coherent waves (mostly electromagnetic) using a simple language and focusing on specific aspects of coherence with specific interest in applications. The course will deal with lasers, holography, interference and diffraction of coherent waves, and some modern applications of quantum mechanics, such as quantum cryptography and teleportation. A heuristic approach will be used; the course can be taken by students following different BSc learning programs, preferably but not exclusively in the area of Information Engineering.

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Le conoscenze trasmesse allo studente riguardano: - onde elettromagnetiche coerenti e loro interazione con la materia anisotropa - Interferenza e polarizzazione di fotoni e lettroni - i princìpi di funzionamento di polarizzatori, laser e interferometri - i princìpi dell’olografia, della crittografia quantistica - i rudimenti del teletrasporto quantistico - il concetto di non località della fisica moderna - i principi della computazione quantistica. Le abilità trasmesse consistono: - nella progettazione di semplici esperimenti di interferenza e diffrazione della luce - nell’utilizzazione della sorgente laser più adatta ad una specifica applicazione industriale - nella progettazione di un semplice insieme di dispositivi ottici per la formazione di ologrammi statici

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The knowledge transmitted by the course to students involves: - the working principle of a laser - the mathematical and physical tools for the treatment of coherence- - the principles of holography - the principles of quantum information and cryptography - the basics of quantum teleportation The transmitted abilities include: - designing simple experiments of interference and diffraction of light - selecting the type of laser most advantageous to a specific industrial application - designing a simple set of optical devices for taking static holograms

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Le conoscenze ritenute già acquisite riguardano la Fisica di base (meccanica, termodinamica, elettromagnetismo), elementi di Fisica Moderna e le Matematiche di base (Analisi I e II e Geometria) e la Chimica di base (livelli atomici e molecolari, transizioni).

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The students must know the subjects of elementary Physics (mechanics, thermodynamics, electromagnetism), basics of Modern Physics and basic Mathematics (Calculus I, Calculus II, Geometry) and chemistry (atomic and molecular levels, transitions).

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- Ripasso sulle equazioni di Maxell nel vuoto e della propagazione del campo e.m. - Le sorgenti del campo e.m. nel vuoto e i potenziali e.m. - Calcolo dei potenziali e.m. ritardati. Campo e.m. di dipolo oscillante - Cenni ai potenziali di Liénard-Wiechert. Calcolo dei potenziali e.m. per cariche in moto (moto rett. uniforme) - Soluzione generale dell'equazione delle onde. Onda in una corda tesa. Onda di pressione in un gas (velocità del suono). - Onde trasversali e onde longitudinali. Trattazione matematica algebrica della polarizzazione delle onde e.m. - Trattazione matematica algebrica della polarizzazione delle onde e.m. - Coerenza delle onde e.m. - Condizioni di raccordo per i campi E e B al passaggio tra mezzi materiali - I coefficienti di Einstein: assorbimento, emissione spontanea e stimolata. Cenni ai laser - Onde e.m. in mezzi anisotropi e tecniche di polarizzazione della luce. - Interferometria e verifica dell'esistenza dei fotoni. Esperimenti di interfeferenza e polarizzazione dei fotoni - Principi di olografia - Ancora sull'algebra di polarizzazione: Fotoni correlati. - Esperimento di Stern-Gerlach e sviluppo dell'algebra di spin e confronto con algebra di polarizzaione dei fotoni - Fenomeno dell'entaglement e paradosso EPR - Disuguaglianza di Bell: Esperimento di Aspect - Disuguaglianza di Bell: Esperimento di Bohm - Il teletrasporto quantistico - La crittografia quantistica - La computazione quantistica

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- Ripasso sulle equazioni di Maxell nel vuoto e della propagazione del campo e.m. - Le sorgenti del campo e.m. nel vuoto e i potenziali e.m. - Calcolo dei potenziali e.m. ritardati. Campo e.m. di dipolo oscillante - Cenni ai potenziali di Liénard-Wiechert. Calcolo dei potenziali e.m. per cariche in moto (moto rett. uniforme) - Soluzione generale dell'equazione delle onde. Onda in una corda tesa. Onda di pressione in un gas (velocità del suono). - Onde trasversali e onde longitudinali. Trattazione matematica algebrica della polarizzazione delle onde e.m. - Trattazione matematica algebrica della polarizzazione delle onde e.m. - Coerenza delle onde e.m. - Condizioni di raccordo per i campi E e B al passaggio tra mezzi materiali - I coefficienti di Einstein: assorbimento, emissione spontanea e stimolata. Cenni ai laser - Onde e.m. in mezzi anisotropi e tecniche di polarizzazione della luce. - Interferometria e verifica dell'esistenza dei fotoni. Esperimenti di interfeferenza e polarizzazione dei fotoni - Principi di olografia - Ancora sull'algebra di polarizzazione: Fotoni correlati. - Esperimento di Stern-Gerlach e sviluppo dell'algebra di spin e confronto con algebra di polarizzaione dei fotoni - Fenomeno dell'entaglement e paradosso EPR - Disuguaglianza di Bell: Esperimento di Aspect - Disuguaglianza di Bell: Esperimento di Bohm - Il teletrasporto quantistico - La crittografia quantistica - La computazione quantistica

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Il corso nel suo complesso è tratto dai seguenti testi: - "Fisica II. Elettromagnetismo. Ottica. di Corrado Mencuccini e Vittorio Silvestrini" - “Lectures on physics”, R. Feynman; http://www.feynmanlectures.caltech.edu/ - “Guida allo studio delle onde”, D. Fleisch, L. Kinnaman - Introduction to Modern Optics - G. R. Fowlers - “Electromagnetic Radiation”, F.H. Read (p.125-136) - “Theory of Coherence and Polarization of Light”, E. Wolf - “Electromagnetic Radiation”, F.H. Read (p.125-136) - “Basics of Laser Physics”, K.F. Renk - OPTICS di Eugene Hecht - https://www.sbai.uniroma1.it/sites/default/files/Note%20-%20Ottica%20Lineare.pdf - http://www-th.bo.infn.it/activities/quantum/DOWNLOADS/PaginaCollSup/Lezione2.pdf - “Holography: A Practical Approach”, G.K. Ackermann, J. Eichler - http://www.fisica.uniud.it/URDF/laurea/idifo1/materiali/g6/MecQuan2.pdf - G.C. Ghirardi "Una occhiata alle carte di Dio" Ed. Il Saggiatore - G. Chinnici "Guarda Caso" Ed. HOEPLI - https://riviste.unimi.it/index.php/ACME/article/download/3876/4019 - http://www.agiati.org/UploadDocs/17105_Art_01_Garberoglio.pdf - http://www.dm.unipi.it/~abbondandolo/divulgazione/epr.pdf - “Quantum Computation and Quantum Information”, M.A. Nielsen, I.L. Chuang - https://www.zimuel.it/talks/moca2004.pdf - http://matematica.unibocconi.it/sites/default/files/crittoquanti.pdf nonché il materiale didattico fornito dal docente e disponibile sulla pagina web del corso.

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General issues and problems: - "Fisica II. Elettromagnetismo. Ottica. di Corrado Mencuccini e Vittorio Silvestrini" - “Lectures on physics”, R. Feynman; http://www.feynmanlectures.caltech.edu/ - “Guida allo studio delle onde”, D. Fleisch, L. Kinnaman - Introduction to Modern Optics - G. R. Fowlers - “Electromagnetic Radiation”, F.H. Read (p.125-136) - “Theory of Coherence and Polarization of Light”, E. Wolf - “Electromagnetic Radiation”, F.H. Read (p.125-136) - “Basics of Laser Physics”, K.F. Renk - OPTICS di Eugene Hecht - https://www.sbai.uniroma1.it/sites/default/files/Note%20-%20Ottica%20Lineare.pdf - http://www-th.bo.infn.it/activities/quantum/DOWNLOADS/PaginaCollSup/Lezione2.pdf - “Holography: A Practical Approach”, G.K. Ackermann, J. Eichler - http://www.fisica.uniud.it/URDF/laurea/idifo1/materiali/g6/MecQuan2.pdf - G.C. Ghirardi "Una occhiata alle carte di Dio" Ed. Il Saggiatore - G. Chinnici "Guarda Caso" Ed. HOEPLI - https://riviste.unimi.it/index.php/ACME/article/download/3876/4019 - http://www.agiati.org/UploadDocs/17105_Art_01_Garberoglio.pdf - http://www.dm.unipi.it/~abbondandolo/divulgazione/epr.pdf - “Quantum Computation and Quantum Information”, M.A. Nielsen, I.L. Chuang - https://www.zimuel.it/talks/moca2004.pdf - http://matematica.unibocconi.it/sites/default/files/crittoquanti.pdf and supporting material provided by the teacher in PPT format on the course webpage.

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa;

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La verifica finale si articola su una prova scritta integrabile con un prova orale facoltativa. Lo scritto, della durata massima di 1,5 ore, consiste di una prima parte comprendente quesiti a risposta multipla, seguita immediatamente da una seconda parte nella quale gli studenti devono discutere per iscritto e per esteso due argomenti di carattere generale attinenti al programma svolto. Non è consentito l’uso di supporti didattici di alcun tipo. Se lo studente non opta per la prova orale integrativa il punteggio dello scritto, espresso in trentesimi, corrisponde al voto. In caso di orale integrativo il voto sarà una media ponderata dell’esito dello scritto e di quello dell’orale

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Exam: Written test; Optional oral exam;

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The exam is a written test followed by a non-compulsory oral test. The written test has a max. duration of 1,5 hrs and consists of a first part with questions with multiple answers and sentences whose validity is to assess or disprove (in this part the students can use supporting material in printed form); followed by a second part where students must answer in writing to a general question pertinent to the program (in this part the students cannot use any supporting material). If the student does not ask for the oral test, the score of the written test gives the final mark. If the student asks for the oral test instead, the final mark is a weighted average between the scores of the written and oral parts.

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

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Nel caso di esame on line la verifica finale si articola su una prova orale. Gli studenti devono discutere due argomenti di carattere generale attinenti al programma svolto. Non è consentito l’uso di supporti didattici di alcun tipo. Il voto sarà una media ponderata dell’esito dei due argomenti trattati.

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Exam: Compulsory oral exam;

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In case of online exam it is an oral test. The students must answer two general questions pertinent to the program (in this part the students cannot use any supporting material). The final mark is a weighted average between the scores of two parts.

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

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Nel caso di esame misto da remoto e in presenza la verifica finale si articola su una prova orale. Gli studenti devono discutere due argomenti di carattere generale attinenti al programma svolto. Non è consentito l’uso di supporti didattici di alcun tipo. Il voto sarà una media ponderata dell’esito dei due argomenti trattati.

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Exam: Compulsory oral exam;

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In case of blended exam (online and onsite) it is an oral test. The students must answer two general questions pertinent to the program (in this part the students cannot use any supporting material). The final mark is a weighted average between the scores of two parts.

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