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Onde coerenti: laser, olografia, teletrasporto
01POGNX, 01POGLP, 01POGLZ, 01POGMA, 01POGMQ, 01POGOD
A.A. 2023/24
Lingua dell'insegnamento
Italiano
Corsi di studio
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica - Torino
Corso di Laurea in Electronic And Communications Engineering (Ingegneria Elettronica E Delle Comunicazioni) - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica - Torino
Corso di Laurea in Matematica Per L'Ingegneria - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Fisica - Torino
Organizzazione dell'insegnamento
| Didattica | Ore |
|---|---|
| Lezioni | 60 |
Docenti
| Docente | Qualifica | Settore | h.Lez | h.Es | h.Lab | h.Tut | Anni incarico |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fontana Marco | Ricercatore L240/10 | PHYS-03/A | 40 | 0 | 0 | 0 | 3 |
Collaboratori
Didattica
| SSD | CFU | Attivita' formative | Ambiti disciplinari | FIS/03 | 6 | D - A scelta dello studente | A scelta dello studente |
|---|
2023/24
Il concetto di coerenza è intimamente correlato con la possibilita di dare origine a fenomeni di interferenza, ovvero la caratteristica saliente delle manifestazioni ondose elettromagnetiche. Esistono molteplici applicazioni ingegneristiche che utilizzano come principio di funzionamento l'interferenza tra onde elettromagnetiche ed è quindi molto importante sviluppare una comprensione dei meccanismi che legano le proprieta di coerenza della radiazione con le caratteristiche dell'interferenza, sia dal punto di vista teorico che sperimentale.
Obiettivo fondamentale dell'Insegnamento è quindi fornire gli strumenti per comprendere il legame tra coerenza e interferenza e la capacita di interpretare, sia dal punto di vista teorico che sperimentale, le conseguenze che derivano dall' utilizzo di sorgenti di onde parzialmente coerenti.
L'Insegnamento è idealmente suddiviso in due parti:
- la prima è dedicata alla visione macroscopica della radiazione elettromagnetica
- la seconda si concentra sul punto di vista quantistico, rendendo centrale il ruolo del fotone come quanto del campo elettromagnetico
In questo modo, verrà dato spazio ad esempi di applicazione della coerenza delle onde elettromagnetiche che spaziano dall'ottica (ad esempio l'olografia) alla computazione quantistica (teletrasporto quantistico, crittografia).
The concept of coherence is strongly related to the possibility of giving rise to interference phenomena, i.e. the most important feature of electromagnetic waves. Many engineering applications use the interference of electromagnetic waves as their operating principle; therefore, it is crucial to understand the relation between the coherence properties of radiation and interference, both from a theoretical and an experimental point of view.
The main goal of the Course is therefore to provide the tools to understand the link between coherence and interference and the ability to interpret the consequences deriving from the use of partially coherent wave sources.
The Course is ideally divided into two parts:
- the first part is dedicated to the macroscopic view of electromagnetic radiation
- the second part is devoted to the quantum point of view, focusing on photons as the quanta of the electromagnetic field
The Course will provide examples of applications from optics (for example holography) to quantum computing (quantum teleportation, cryptography).
Al termine dell'Insegnamento, le studentesse e gli studenti:
- conosceranno le proprietà delle onde EM, la lora interazione con la materia, i meccanismi di generazione di base (dipolo, LASER)
- comprenderanno il legame tra la coerenza della radiazione e l'interferenza e come misurare il grado di coerenza parziale della radiazione
- acquisiranno i principi della trattazione quantistica della radiazione elettromagnetica, basata sul concetto di fotone
- avranno gli strumenti di base per comprendere la computazione quantistica, con particolare attenzione dedicata alle principali differenze rispetto alla computazione classica
Inoltre le studentesse e gli studenti acquisiranno le seguenti abilità di carattere più generale:
- analizzare il rapporto che esiste tra teoria e esperimento
- riconoscere analogie tra teorie diverse che utilizzano lo stesso formalismo matematico
- contestualizzare argomenti complessi e discuterne gli aspetti fondamentali
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
Le conoscenze ritenute gia acquisite riguardano la Fisica di base (meccanica, termodinamica, elettromagnetismo), Matematiche di base (Analisi I e II e Geometria) e la Chimica di base (livelli atomici e molecolari, transizioni).
Per quanto riguarda le Fisica Quantistica, non è un prerequisito fondamentale, in quanto durante l'Insegnamento verranno fornite nozioni introduttive che permetteranno a tutte le studentesse e gli studenti di comprendere gli argomenti della seconda parte del corso.
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).
Prima parte del corso: visione macroscopica della radiazione elettromagnetica
- Sorgenti di radiazione elettromagnetica, Potenziali ritardati, Potenziali di Liénard-Wiechert, Proprieta delle onde elettromagnetiche, algebra di Jones, interazione radiazione-materia (dispersione e assorbimento)
- Introduzione al concetto di coerenza e lunghezze di coerenza, Teoria della coerenza parziale, legame tra interferenza e coerenza, misure di lunghezze di coerenza
- Principi fisici dei dispositivi laser (emissione stimolata), elementi di base di un dispositivo laser, coerenza dei laser
- Principi base dell'olografia, applicazioni dell'olografia (interferometria olografica)
Seconda parte del corso: visione quantistica della radiazione elettromagnetica
- Algebra di polarizzazione del singolo fotone e interferometria a singolo fotone
- Stati quantistici a due fotoni e correlazione quantistica (entanglement)
- Paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), disuguaglianza di Bell, esperimento di Aspect
- Introduzione alla computazione quantistica, Teletrasporto quantistico e Crittografia quantistica
- 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 Lienard-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 (velocita 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
L'Insegnamento comprende esclusivamente lezione frontali (approssimativamente 60 ore); non ci sono quindi esercitazioni. Particolare attenzione viene riservata all'insegnamento dei principi fisici fondamentali, con riferimento agli esperimenti e alle possibili applicazioni tecnologiche che ne fanno uso.
Durante le lezioni verranno presentati alcuni semplici calcoli che saranno lasciati alle studentesse e agli studenti come esercizio da effettuare in autonomia, in modo da stimolare l'apprendimento dei concetti fondamentali.
No excercitations
Tutti gli argomenti trattati durante l'Insegnamento sono supportati da slide fornite alle studentesse e agli studenti attraverso il portale della didattica nella sezione dedicata al materiale didattico.
Non esiste un unico testo di riferimento per tutto l'Insegnamento: per ogni lezione sono indicati al fondo delle slide libri di riferimento, link e riferimenti ad articoli scientifici che possono essere utilizzati sia come base per lo studio (oltre alle slide), sia come approfondimento.
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.
Slides;
Lecture slides;
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa;
Exam: Written test; Optional oral exam;
...
La verifica finale si articola su una prova scritta obbligatoria, a cui si aggiunge una prova orale facoltativa.
Lo scritto, della durata massima di 1 ora e 30 minuti, consiste di due parti (punteggio massimo 30 punti):
- la prima parte comprende quesiti a risposta multipla (4 quesiti, 2 punti per ogni risposta giusta)
- la seconda parte comprende due domande aperte nella quale gli studenti devono discutere per iscritto e per esteso due argomenti di carattere generale attinenti al programma svolto (11 punti massimi per ogni domanda)
Entrambe le parti sono volte ad accertare che le studentesse e gli studenti abbiano acquisito le conoscenze che l'Insegnamento intende trasmettere.
Inoltre, l'obiettivo della seconda parte dell'esame scritto è valutare la capacità delle studentesse e degli studenti di contestualizzare gli argomenti dell'Insegnamento ed esporli per iscritto in maniera organizzata e sottolineando gli aspetti piu importanti.
Non è consentito l'uso di supporti didattici di alcun tipo.
Se le studentesse o gli studenti non optano 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 dell' esito dello scritto e di quello dell'orale.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Written test; Optional oral exam;
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.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.