Quantum Walks and Topological Phenomena with Structured Light

Aggiornato il:20/01/2025

Informazioni sul documento

Autore	Alessio D’Errico
Scuola	Università degli Studi di Napoli Federico II
Specialità	Fisica
Anno di pubblicazione	2018
Luogo	Napoli
Tipo di documento	thesis

Lingua	English
Numero di pagine	164
Formato
Dimensione	19.85 MB

Quantum Walks
Topological Phenomena
Structured Light

Riassunto

I. Introduzione ai Cammini Quantistici

I cammini quantistici (QWs) rappresentano un'innovativa classe di processi quantistici che si sviluppano su spazi discreti. Questi processi sono influenzati da gradi di libertà interni, rendendoli strumenti potenti per l'analisi di sistemi a stato solido e fasi topologiche della materia. La tesi si concentra sull'implementazione dei QWs utilizzando fasci di luce coerente, esplorando la possibilità di associare lo spazio reticolare a caratteristiche strutturali della luce, come la distribuzione di fase. Un aspetto cruciale è l'uso del momento angolare orbitale (OAM) della luce, che consente di emulare spazi discreti unidimensionali. Attraverso l'uso di dispositivi noti come q-plates, è possibile realizzare QWs su reticoli unidimensionali. La ricerca si propone di dimostrare metodi innovativi per rilevare invarianti topologici, che fungono da firme delle fasi topologiche in sistemi con simmetria chirale.

1.1 Fasi Topologiche e Computazione Quantistica

Le fasi topologiche della materia sono un argomento di grande attualità, grazie alla loro potenziale applicazione nella computazione quantistica. I materiali topologici, come gli isolanti topologici bidimensionali, presentano caratteristiche uniche, come correnti di spin o carica che si propagano senza subire retro-scattering. Queste proprietà sono fondamentali per lo sviluppo di tecnologie quantistiche avanzate. La tesi esplora implementazioni fotoniche dei QWs su reticoli bidimensionali, utilizzando un nuovo grado di libertà: il componente trasversale del vettore d'onda della luce. Attraverso l'uso di g-plates, si possono eseguire traduzioni discrete condizionate dalla polarizzazione nello spazio del momento trasversale, aprendo nuove strade per l'implementazione di QWs in spazi bidimensionali.

II. Misurazione della Luce Strutturata

La misurazione delle caratteristiche dei fasci di luce strutturata è un aspetto cruciale per comprendere le dinamiche dei QWs. La tesi introduce una nuova tecnica interferometrica che consente di ricostruire lo spettro di potenza del momento angolare orbitale (OAM) di un fascio di luce. Questa tecnica innovativa permette di ottenere informazioni dettagliate sulla struttura radiale e sul profilo di ampiezza di ciascun modo OAM. La capacità di misurare con precisione le proprietà della luce strutturata è fondamentale per applicazioni in ottica quantistica e per lo sviluppo di dispositivi fotonici avanzati. La ricerca si concentra anche sulla caratterizzazione delle singolarità di polarizzazione prodotte da q-plates con ritardo ottico variabile, evidenziando l'importanza di queste tecniche per l'analisi topologica.

2.1 Tecniche Interferometriche Avanzate

Le tecniche interferometriche avanzate sono essenziali per la misurazione delle proprietà della luce strutturata. Queste tecniche non solo consentono di ottenere informazioni sullo spettro OAM, ma anche di caratterizzare la struttura radiale del campo elettrico. La capacità di ricostruire lo spettro OAM da un numero limitato di immagini rappresenta un significativo passo avanti nella misurazione della luce. Queste innovazioni hanno applicazioni pratiche in vari campi, dalla metrologia ottica alla computazione quantistica, dove la manipolazione e la misurazione precisa della luce sono fondamentali.

III. Dinamiche e Singolarità di Polarizzazione

La comprensione delle singolarità di polarizzazione è fondamentale per l'analisi dei fenomeni topologici nella luce strutturata. La tesi presenta esperimenti che studiano le singolarità topologiche nei modelli di polarizzazione generati da q-plates. Questi esperimenti rivelano come le singolarità di polarizzazione possano essere utilizzate per illustrare concetti fondamentali di topologia. L'analisi delle dinamiche di queste singolarità offre spunti significativi per la comprensione delle interazioni tra luce e materia, nonché per lo sviluppo di nuovi dispositivi fotonici. La ricerca si propone di esplorare ulteriormente le implicazioni delle singolarità di polarizzazione nella progettazione di sistemi quantistici avanzati.

3.1 Applicazioni nella Fisica dei Materiali

Le singolarità di polarizzazione non solo forniscono una comprensione teorica della topologia, ma hanno anche applicazioni pratiche nella fisica dei materiali. La loro analisi può rivelare informazioni preziose sulle proprietà ottiche e topologiche dei materiali, contribuendo allo sviluppo di nuovi materiali con caratteristiche desiderate. La tesi sottolinea l'importanza di queste ricerche per l'innovazione tecnologica, in particolare nel campo della fotonica e della computazione quantistica, dove la manipolazione della luce è cruciale.