ID:
SCC0975
Durata (ore):
66
CFU:
6
SSD:
SISTEMI DI ELABORAZIONE DELLE INFORMAZIONI
Anno:
2026
Dati Generali
Periodo di attività
Primo Semestre (21/09/2026 - 15/01/2027)
Syllabus
Obiettivi Formativi
Lo scopo del corso è introdurre lo studente al campo dell'ottica moderna. Nella prima parte del corso, l'interazione tra materia e radiazione viene descritta nell'ambito del modello semiclassico, in cui solo il sistema atomico è trattato secondo la teoria quantistica, mentre il campo elettromagnetico interagente è trattato con un approccio classico. Nella seconda parte, gli studenti vengono introdotti all'ottica quantistica, che si basa su una descrizione interamente quantistica del campo elettromagnetico. Vengono inoltre illustrate alcune semplici applicazioni nei campi della metrologia e dell'interferometria quantistica, in cui è possibile migliorare la sensibilità di misura oltre il limite quantistico standard sfruttando le correlazioni quantistiche della sorgente luminosa. Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di spiegare i concetti fondamentali dell'ottica semiclassica e quantistica e di risolvere semplici problemi in questo ambito.
Prerequisiti
Nozioni di base di elettromagnetismo e di meccanica quantistica.
Metodi didattici
Lezioni frontali in aula alla lavagna + attività di laboratorio.
Il docente fornirà agli studenti il materiale didattico attraverso la piattaforma e-learning.
Le prime 48 ore del corso saranno lezioni in aula tenute dal Prof. Enrico Brambilla e dalla Prof.ssa Lucia Caspani e tratteranno gli argomenti di ottica semiclassica e Quantistica (Prima e seconda parte dei contenuti). La prof.ssa Lucia Caspani, tratterà alcuni argomenti di Ottica Quantistica di interesse particolare (ottica quantistica del beamsplitter, criteri di non-classicalità degli stati del campo em, stati squeezed e alcune applicazioni).
La terza parte del corso sulla rivelazione degli stati non classici del campo elettromagnetico (22 ore) sarà svolta dalla Prof.sse Maria Bondani e Lucia Caspani e comprenderanno una parte di attività di laboratorio.
Il docente fornirà agli studenti il materiale didattico attraverso la piattaforma e-learning.
Le prime 48 ore del corso saranno lezioni in aula tenute dal Prof. Enrico Brambilla e dalla Prof.ssa Lucia Caspani e tratteranno gli argomenti di ottica semiclassica e Quantistica (Prima e seconda parte dei contenuti). La prof.ssa Lucia Caspani, tratterà alcuni argomenti di Ottica Quantistica di interesse particolare (ottica quantistica del beamsplitter, criteri di non-classicalità degli stati del campo em, stati squeezed e alcune applicazioni).
La terza parte del corso sulla rivelazione degli stati non classici del campo elettromagnetico (22 ore) sarà svolta dalla Prof.sse Maria Bondani e Lucia Caspani e comprenderanno una parte di attività di laboratorio.
Verifica Apprendimento
The oral examination, which will last 60-90 minutes, consists in an in-depth verification of the knowledge acquired by the student during the course. In addition to questions on the basic theory developed in the lessons, the student will be asked to present in more details one of the more advanced topics developed during the lectures, which will be previously assigned by the teacher. Full mark with laude is assigned only to students that - accomplish all the aims and outcomes discussed above - are able to re-elaborate the different topics and to establish connections and comparisons
Contenuti
Prima parte: Il modello semiclassico di Maxwell-Bloch di interazione radiazione materia (16 ore, docente: Enrico Brambilla)
- Hamiltoniana di interazione nell'approssimazione di dipolo.
- Formalismo della matrice densità: equazione di evoluzione di Liouville-Von Neumann
- Derivazione delle equazioni di Bloch ottiche per un sistema atomico a due livelli interagente con un campo elettromagnetico
- Soluzione delle equazioni di Bloch pilotate da un'onda monocromatica – Ocillazioni di Rabi e precessione del vettore di Bloch sulla sfera di Bloch
- Il modello di Maxwell-Bloch di interazione radiazione - sistema atomico a 2 livelli: inclusione dei processi atomici irreversibili (decadimento spontaneo e processi di decoerenza)
- Soluzione stazionaria delle equazioni di MB nei regimi lineari e non lineari.
- Fenomeno della trasparenza auto-indotta: solitoni di propagazione nel mezzo nonlineare.
Seconda parte: Ottica quantistica (32 ore, docente Enrico Brambilla + Lucia Caspani)
- Quantizzazione del campo elettromagnetico nel vuoto:
- Equivalenza tra il campo elettromagnetico e un insieme infinito di oscillatori armonici indipendenti.
- L'oscillatore armonico nella teoria quantistica.
- Quantizzazione del campo em.
- Gli operatori dei campi elettrici e magnetici.
- Le rappresentazioni di Heisenberg e di Schrödinger.
- La base degli stati di Fock.
- Gli stati coerenti come stati quasi-classici del campo e.m.
- Definizioni e proprietà generali. Statistica dei fotoni degli stati coerenti. Relazione di indeterminazione per le fluttuazioni delle quadrature del campo.
- Il formalismo della matrice densità. Stati puri e stati misti del campo e.m.
- Statistica dei fotoni di uno stato termico.
- Elettrodinamica quantistica in cavità - il modello di Jaynes-Cummings. L'Hamiltoniana del modello di JC. La descrizione basata sugli stati nudi e vestiti. L'esperimento di Haroche: generazione di stati entangled atomo-modo di cavità. Collassi e "revival" delle oscillazioni di Rabi.Ottica quantistica con un divisore di fascio (beamsplitter).
- Descrizione classica e quantistica di un beamsplitter.Formalismo input-output. Funzione di correlazione del numero di fotoni dalle due porte di uscita di un beamsplitter. Criteri di non-classicità per una sorgente di luce.
- Stati "squeezed" del campo em.
- Alcune applicazioni degli stati non classici: l'effetto Hong-Ou-Mandel. l'interferometro di Mach-Zehnder. Misura di assorbimento ad alta sensibilità sfruttando le correlazioni tra fasci gemelli. Interferometria ad alta sensibilità che utilizza stati squeezed.
Terza parte: Light detection theory (22 ore, docente Lucia Caspani + Maria Bondani)
- Semiclassical theory.
- Quantum theory: POVM.
- Examples of POVM for various classes of detectors: ON/OFF and Bernoulli detectors.
- Beam splitter to model a non-ideal detector.
- Statistics of the detected light.
- Correlation measurements for detected photons.
- Optical detection schemes: direct and indirect detection. Light detectors
- General characteristics of real detectors.
- Origin of noise in detectors.
- Acquisition systems and signal processing of detectors.
- Different classes of detectors
-- Photomultipliers.
-- HPDS.
-- Photodiodes.
-- APD and SPAD.
-- SiPM.
-- Cryogenic detectors.
-- Superconducting detectors.
-- Cameras (CCD, EMCCD, ICCD, CMOS).
- Characterization of a detector with internal gain and amplification. Self-consistent procedure.
- Characterization of a detector with dark counting, cross talk, and afterpulses. Application to optical state
measurements
- Review of the state-of-the art in light detection.
Laboratory
- Experimental measurement of photon statistics and correlation by direct detection.
- Experimental measurement of field quadratures by homodyne detection and tomographic reconstruction of optical states.
- Hamiltoniana di interazione nell'approssimazione di dipolo.
- Formalismo della matrice densità: equazione di evoluzione di Liouville-Von Neumann
- Derivazione delle equazioni di Bloch ottiche per un sistema atomico a due livelli interagente con un campo elettromagnetico
- Soluzione delle equazioni di Bloch pilotate da un'onda monocromatica – Ocillazioni di Rabi e precessione del vettore di Bloch sulla sfera di Bloch
- Il modello di Maxwell-Bloch di interazione radiazione - sistema atomico a 2 livelli: inclusione dei processi atomici irreversibili (decadimento spontaneo e processi di decoerenza)
- Soluzione stazionaria delle equazioni di MB nei regimi lineari e non lineari.
- Fenomeno della trasparenza auto-indotta: solitoni di propagazione nel mezzo nonlineare.
Seconda parte: Ottica quantistica (32 ore, docente Enrico Brambilla + Lucia Caspani)
- Quantizzazione del campo elettromagnetico nel vuoto:
- Equivalenza tra il campo elettromagnetico e un insieme infinito di oscillatori armonici indipendenti.
- L'oscillatore armonico nella teoria quantistica.
- Quantizzazione del campo em.
- Gli operatori dei campi elettrici e magnetici.
- Le rappresentazioni di Heisenberg e di Schrödinger.
- La base degli stati di Fock.
- Gli stati coerenti come stati quasi-classici del campo e.m.
- Definizioni e proprietà generali. Statistica dei fotoni degli stati coerenti. Relazione di indeterminazione per le fluttuazioni delle quadrature del campo.
- Il formalismo della matrice densità. Stati puri e stati misti del campo e.m.
- Statistica dei fotoni di uno stato termico.
- Elettrodinamica quantistica in cavità - il modello di Jaynes-Cummings. L'Hamiltoniana del modello di JC. La descrizione basata sugli stati nudi e vestiti. L'esperimento di Haroche: generazione di stati entangled atomo-modo di cavità. Collassi e "revival" delle oscillazioni di Rabi.Ottica quantistica con un divisore di fascio (beamsplitter).
- Descrizione classica e quantistica di un beamsplitter.Formalismo input-output. Funzione di correlazione del numero di fotoni dalle due porte di uscita di un beamsplitter. Criteri di non-classicità per una sorgente di luce.
- Stati "squeezed" del campo em.
- Alcune applicazioni degli stati non classici: l'effetto Hong-Ou-Mandel. l'interferometro di Mach-Zehnder. Misura di assorbimento ad alta sensibilità sfruttando le correlazioni tra fasci gemelli. Interferometria ad alta sensibilità che utilizza stati squeezed.
Terza parte: Light detection theory (22 ore, docente Lucia Caspani + Maria Bondani)
- Semiclassical theory.
- Quantum theory: POVM.
- Examples of POVM for various classes of detectors: ON/OFF and Bernoulli detectors.
- Beam splitter to model a non-ideal detector.
- Statistics of the detected light.
- Correlation measurements for detected photons.
- Optical detection schemes: direct and indirect detection. Light detectors
- General characteristics of real detectors.
- Origin of noise in detectors.
- Acquisition systems and signal processing of detectors.
- Different classes of detectors
-- Photomultipliers.
-- HPDS.
-- Photodiodes.
-- APD and SPAD.
-- SiPM.
-- Cryogenic detectors.
-- Superconducting detectors.
-- Cameras (CCD, EMCCD, ICCD, CMOS).
- Characterization of a detector with internal gain and amplification. Self-consistent procedure.
- Characterization of a detector with dark counting, cross talk, and afterpulses. Application to optical state
measurements
- Review of the state-of-the art in light detection.
Laboratory
- Experimental measurement of photon statistics and correlation by direct detection.
- Experimental measurement of field quadratures by homodyne detection and tomographic reconstruction of optical states.
Lingua Insegnamento
Inglese
Altre informazioni
I docenti ricevano su appuntamento:
- Prof. Brambilla, office V4.3 fourth floor via Valleggio 11,
e-mail: enrico.brambilla@uninsubria.it
- Prof. Caspani, office V4.7 fourth floor via Valleggio 11,
e-mail: lucia.caspani@uninsubria.it
- Prof. Maria Bondani: maria.bondani@uninsubria.it
- Prof. Brambilla, office V4.3 fourth floor via Valleggio 11,
e-mail: enrico.brambilla@uninsubria.it
- Prof. Caspani, office V4.7 fourth floor via Valleggio 11,
e-mail: lucia.caspani@uninsubria.it
- Prof. Maria Bondani: maria.bondani@uninsubria.it
Corsi
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FISICA
Laurea Magistrale
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