I quanti di luce: da Planck al
Quantum Imaging, Metrology &
Sensing
(אֹורyehi 'or).
Fiat lux…..
Genesi 1:3
Ma cos’e’ la luce???
Primi tentativi di una Teoria della luce
• Specchi sin da protostoria…
• Pitagora, Democrito, Empedocle,
Platone, Aristotele….
• Legge della rifrazione (Euclide?), quindi
Cleomede (50 dc), Tolomeo (130 dc),…
• Durante l’epoca greco romana:
tecnologia lenti e specchi per
ingrandire e focalizzare
Durante il medioevo lo studio della luce languisce
(come ogni scienza) in Europa
• Alhazen (1000 dc), leggi riflessione
• Ripresa studi sulla luce con Bacone,
Leonardo…
• Telescopio: Lippershey,
applicazione astronomica: Galileo
• Miscroscopio: Jannsen
• Progressi: Kepler, Snell, Grimaldi…
La natura della luce: corpuscoli o
onda?
•
Osservando la diffrazione
Hooke suggerisce luce moto
vibratorio del mezzo
. Scoposizione di colori in luce bianca,
propagazione “rettilinea” portano
Newton (1642-1727) a pensare a
corpuscoli di diverso colore
• Huygens (1629-1695) deriva leggi riflessione e
rifrazione da teoria ondulatoria
• Dominano comunque idee corpuscolari di
Newton
• Römer determina velocità luce (1676)
• Inizio 1800: Esperimenti su interferenza e
diffrazione (Fresnel,Malus, Arago, Young …)
sostengono ipotesi luce come onda
problemi con tentativi di comprendere luce come
onda
longitudinale
• Young: luce onda trasversa al moto
• 1815 Fresnel pubblica “Premier mémoire sur la
diffraction de la lumière” : trionfa la teoria
ondulatoria
“colori” diversi -> frequenze dell’onda diverse
1865: Maxwell descrive la
teoria
che unifica elettricità e
magnetismo :
la luce è un’onda del campo
elettromagnetico
Fine 1800 enorme sviluppo di
• Macchine elettriche (Galileo Ferraris, Tesla ….)
• Illuminazione elettrica (Edison, Cruto, Siemens, …)
• Radio (Marconi), telefono (Meucci)…..
Meglio luce elettrica o iluminamento a gas??
Werner von Siemens si rivolge al PTR fondato da
Herman von Helmholtz.
Misure di corpo nero di Planck
E=hν
- 1900 Planck
per
spiegare l’emissione del corpo
nero: la luce dev’essere
emessa in quanti di luce (i
fotoni)
Nasce la Fisica Quantistica
- 1905 Einstein: la luce
si propaga e viene
assorbita come quanti
di luce
Il Fotone
Una “particella” di luce
-Che però si propaga come un’onda (diffrazione, leggi di Fresnel,…..)
- Energia in “pacchetti” E = h υ
- Polarizzazione
|45> = ( |H> + |V> ) / 2
- 1915 Einstein: la luce viene deviata da un campo gravitazionale
- 1912 Bohr: le orbite degli elettroni negli atomi sono quantizzate
-Anni 20: Schrödinger, Heisenberg, de Broglie, Pauli, Dirac, ...
meccanica quantistica
Formalismo matematico della
La meccanica quantistica è ora uno dei pilastri della fisica moderna
volta alla descrizione dei sistemi microscopici (atomi, nuclei, molecole, particelle
sub-atomiche, etc.)
Ma necessaria anche per la cosmologia, teoria della conduzione elettrica,
biologia…
Un pallone quantistico:
il fullerene
Il bizzarro mondo microscopico dei quanti
• Evoluzione probabilistica non deterministica
• Non ho traiettorie
• Non posso misurare con precisione arbitraria
osservabili incompatibili (posizione e quantità di
moto)
• Principio di sovrapposizione : stati con valore
indefinito di un’osservabile
a |H> + b |V>
Quantizzazione del campo Elettromagnetico
Classico
Coefficienti numerici
Quantum
Quantum Operators
Stati coerenti
Autostati operatore distriuzione del singolo fotone
Numero medio fotoni:
Statistica Poissoniana:
=
Bayrischzell Workhop 2014, Quantized geometry and physics, [May 23-26]
Experimenti con luce quantistica
Antibunching
L’esperimento di Hong, Ou e Mandel
?
?
Parametric Down Conversion
type I PDC
type II PDC
Heralded Photon source
0.86 m
632.8 nm
NF
P
LiIO3
Signal
L1
I1
3.5°
4.4°
351 nm
/2
789 nm
I2 F2
L2
2m
Fiber optic
789 nm
LD
A
TRIGGER
Best result g2=0.005
• Quantum dots:
Centri di colore in diamante
Ma a cosa servono le sorgenti di sorgenti di singolo fotone ?
- Super-risoluzione
- Ridefinizione della candela
- Comunicazione quantistica
- …..
Oltre il limite di Abbe
PRL 113, 143602 (2014)
k=1
FWHM(k)
Segnale di fluorescenza da
~
FWHM(1)
k=3
k=2
k=4
𝑘
n SPS a x:
k=2
k=3
k=4
k=2
k=3
k=4
k=5
…
…
Una nuova definizione della candela
La candelaè l'unità di misura dell'intensità luminosa:
'intensità luminosa in una data direzione di una sorgente che
emette radiazione monocromatica alla frequenza di 540 × 12 con
intensità radiante in quella direzione di valore pari a 1/683 watt in
uno steradiante
10
Hz
La Comunicazione quantistica
Tra cui a protocolli di trasmissione intrinsecamente sicuri:
Crittografia Quantistica
Perche’ la crittografia quantistica e’ sicura?
- Ogni tentativo d’intercettazione deteriora la trasmissione
-Un intercettatore non puo’ determinare lo stato di un singolo sitema quantistico
a |0> + b |1>
- Non si può fotocopiare uno stato quantistico ignoto
a |0> + b |1>
a |0> + b |1>
->
a |0> + b |1>
………
a |0> + b |1>
BB84
|45> = ( |H> + |V> ) / 2
L’intecettatore sbaglia base il 50%
delle volte, errore il 25% delle
intercettazioni
Oltre 140 km sia in aria
(Tenerife-La Palma) che in
fibra
- Some groups are selling plug and play QKD systems.
Id Quantique
E molto di piu’
Le correlazioni quantistiche: l’entanglement
[( | H > | V > + | V > | H > ) ]
__________________________
(2)
- Quantum computers ottici
- Teletrasporto
- Quantum imaging sotto lo shot noise
- Quantum «radar»
…….
La «storia» della comprensione di cosa sia la luce
è stata una guida
per comprendere la natura del mondo che ci
circonda, chissa cosa ci riservera’ il futuro….
