Generation and manipulation of multiphoton quantum fields

Abstract

La teoria dell'informazione quantistica amplia e completa la teoria dell'informazione classica così come l'insieme dei numeri complessi estende e completa quello dei reali. L'informazione quantistica apre, nello scenario della scienza moderna, un nuovo capitolo, le cui origini possono essere rintracciate all'inizio degli anni ottanta nella proposta di Feynman, secondo cui un computer quantistico, ovvero uno strumento in grado di lavorare sulla base di algoritmi di teoria dell'informazione riformulati nel contesto quantistico, sarebbe uno strumento necessario per simulare e investigare ogni processo quantistico naturale. Lo studio dell'informazione quantistica ha così coinvolto diversi settori disciplinari della fisica sperimentale e teorica: fisica atomica, ottica quantistica e fiica dei laser, fisica della materia condensata, etc... Negli ultimi decenni il goal principale dell'informazione quantistica è stata la comprensione degli aspetti più sottili della meccanica quantistica al fine di comprendere come formulare, manipolare, processare e comunicare l'informazione nel modo più efficiente e tramite l'utilizzo di sistemi fisici che operano sulla base dei principi della meccanica quantistica. Il maggior ostacolo alla realizzazione di tali sistemi è la decoerenza che affligge il mondo quantistico microscopico quando esso viene a contatto con il mondo macroscopico del canale di comunicazione e degli strumenti di misura. L'informazione quantistica è usualmente codificata nel quantum bit, ovvero un sistema quantistico bidimensionale che non possiede un valore dicotomico come il bit classico, che può essere di volta in volta 0 oppure 1, bensì si trova in uno stato di sovrapposizione quantistica dei due stati di base ortogonali. Tale stato rivela proprietà inusuali specialmente quando si trattano sistemi composti. Infatti una delle caratteristiche peculiari della fisica quantistica è la possibilità di rendere entangled diversi qubit. Inizialmente riconosciuto come il tratto caratteristico della meccanica quantistica" da Erwin Schroedinger, l'entanglement rappresenta una delle risorse chiave della moderna informazione quantistica. Questo deriva dalle correlazioni non locali tra parti differenti di un sistema quantistico e combina i tre elementi strutturali della teoria quantistica: il principio di sovrapposizione, il concetto di non separabilità e la legge di scala esponenziale dello spazio degli stati con il numero di partizione. L'entanglement quantistico può essere utilizzato in diversi protocolli di informazione e crittografia quantistica, che non hanno una analogo nella teoria classica. Mentre la comunicazione quantistica può essere realizzata attraverso qubit fotonici resistenti alla decoerenza, un gran numero di tecnologie sono sotto studio al fine di implementare un computer quantistico. Nessuna tecnologia da sola è in grado di soddisfare tutte queste richieste in modo esaustivo; infatti, oltre ai fotoni, i qubit possono essere implementati tramite ioni intrappolati, atomi neutri interagenti con cavità ottiche, circuiti superconduttori, quantum dots, etc... L'ottica quantistica rappresenta un ottimo banco di prova per i nuovi concetti introdotti nell'informazione quantistica. Infatti gli stati fotonici quantistici possono essere facilmente e accuratamente manipolati attraverso devices ottici lineari e non lineari, e misurati attraverso efficienti detector a singolo fotone. Coppie di fotoni entangled sono usualmente generati tramite spontaneous parametric down conversion (SPDC) in cristalli non lineari in cui, sotto precise condizioni di conservazione dell'energia e del momento. In questa tesi dimostriamo come un processo di amplificazione parametrica sia in grado di preservare l'entanglement che originariamente connetteva uno stato entangled a due fotoni, dopo l'amplificazione di uno dei due e la conseguente generazione di un campo a molti fotoni (circa 4000). Tale trasformazione stabilisce una stretta connessione tra i campi microscopico e macroscopico, e lo stato quantistico a molti fotoni apre interessanti prospettive sia per lo studio di test fondamentali di meccanica quantistica che per la realizzazione di protocolli di informazione quantistica. L'interesse nello studio dei campi a molti fotoni generati dall'amplificatore parametrico è stato duplice: da una parte vi è l'indagine sulla natura della meccanica quantistica e sulla transizione dal mondo microscopico a quello macroscopico, ovvero dal mondo quantistico al mondo classico. In questo contesto si inserisce lo studio e la realizzazione dell'entanglement tra stati quantistici macroscopici, generati in emissione spontanea da cristalli non lineari in regime di alto guadagno. D'altra parte vi è un interesse pratico nel campo dell'informazione quantistica per la possibilità di generare Macro-qubit resistenti alle perdite in grado di essere utilizzati in diversi protocolli di comunicazione. Un'applicazione di questi stati che abbiamo studiato è legata alla possibilità di prelevare porzioni del campo di radiazione su cui effettuare misure in grado di condizionare la successiva evoluzione dello stato totale del sistema. In questo modo si può pensare di utilizzare gli stati quantistici macroscopici generati dall'amplificatore parametrico all'interno di protocolli di distillazione di stati quantistici, in virtù della loro robustezza e resistenza alle perdite. Inoltre, è stato studiato l'utilizzo di questi stati quantistici in nuovi schemi interferometrici, indagando teoricamente e sperimentalmente l'amplificazione di stati NOON. Tali stati permettono di aumentare la risoluzione ottica in esperimenti di interferometria, battendo il limite di Heisemberg, e risultando una promettente risorsa nell'ambito della litografia quantistica. In questo contesto si inserisce anche lo studio dell'applicazione degli stati a molti fotoni in protocolli di metrologia quantistica. Infine l'interazione di campi quantistici a molti fotoni con sistemi atomici quali la BEC (condensato di Bose Einstein) realizzando una fusione tra diverse tecnologie, può aprire nuovi scenari nel panorama dell'informazione quantistica. Ad esempio la creazione di un entanglement luce-atomo rappresenterebbe un'ambiziosa prospettiva di questa applicazione. L'adozione simultanea di metodi e concetti differenti, ovvero i fenomeni ottici e la BEC, all'interno di un contesto unificato, porterebbe allo sviluppo di tecnologie ibride per l'informazione quantistica. Il sistema ibrido consisterebbe in due sottosistemi fisicamente differenti, quello ottico e quello atomico, che possono essere preparati, manipolati e misurati attraverso tecnologie sperimentali indipendenti. In conclusione, dall'indagine sulle leggi della meccanica quantistica ai diversi ambiti della teoria dell'informazione, l'utilizzo di campi quantistici macroscopici può risultare una nuova e promettente risorsa.