L’ obiettivo principale di questa ricerca di Dottorato e stato quello di discutere gli effetti gravitazionali sull’ interferenza tra gli stati di un unico fotone in casi nei quali la propagazione del fotone e su lunghe distanze (migliaia o decine di migliaia di chilometri) con notevoli variazioni della metrica di spazio-tempo (relativistica). In effetti la metrica modifica la coerenza di fase tra gli stati sovrapposti del fotone che si propagano su traiettorie con un diverso campo gravitazionale. Nascono quindi effetti interferometrici con frange e caratteristiche di visibilita che dipendono dalle specifiche condizioni. E stata quindi identificata una possibile configurazione sperimentale, basata su stazione di terra e su veicolo in orbita, potenzialmente in grado di evidenziare tali effetti di interferenza. In tale configurazione gli stati del fotone sono generati in sovrapposizione e poi ricomposti utilizzando ‘beam splitters’ configurati in accordo a interferometri tipo ‘Mach Zender’, uno previsto a terra e l’altro previsto a bordo del un veicolo spaziale. Alcune delle tecnologie principali sono quindi state discusse identificando gli aspetti peculiari che richiedono una attivita di sviluppo qualora l’ esperimento fosse realmente perseguito.
L’ obiettivo principale di questa ricerca di Dottorato e stato quello di discutere gli effetti gravitazionali sull’ interferenza tra gli stati di un unico fotone in casi nei quali la propagazione del fotone e su lunghe distanze (migliaia o decine di migliaia di chilometri) con notevoli variazioni della metrica di spazio-tempo (relativistica). In effetti la metrica modifica la coerenza di fase tra gli stati sovrapposti del fotone che si propagano su traiettorie con un diverso campo gravitazionale. Nascono quindi effetti interferometrici con frange e caratteristiche di visibilita che dipendono dalle specifiche condizioni. E stata quindi identificata una possibile configurazione sperimentale, basata su stazione di terra e su veicolo in orbita, potenzialmente in grado di evidenziare tali effetti di interferenza. In tale configurazione gli stati del fotone sono generati in sovrapposizione e poi ricomposti utilizzando ‘beam splitters’ configurati in accordo a interferometri tipo ‘Mach Zender’, uno previsto a terra e l’altro previsto a bordo del un veicolo spaziale. Alcune delle tecnologie principali sono quindi state discusse identificando gli aspetti peculiari che richiedono una attivita di sviluppo qualora l’ esperimento fosse realmente perseguito.
L’astronomia delle onde gravitazionali ha aperto una nuova finestra osservativa sull’universo, con un impatto scientifico inestimabile in un’ampia gamma di campi, tra cui l’astrofisica, la cosmologia, la fisica nucleare e la fisica fondamentale. La Collaborazione LIGO-Virgo- KAGRA gestisce quattro rivelatori terrestri di onde gravitazionali in tutto il mondo, che insieme hanno osservato centinaia di coalescenze di sistemi binari compatti, i quali coinvolgono principalmente buchi neri, ma anche stelle di neutroni. Tra questi eventi rientra GW170817, l’osservazione storica che ha segnato la nascita dell’astronomia multimessaggera. La rivelazione sperimentale delle onde gravitazionali avviene con interferometri di Michelson di lunghezza chilometrica, in cui la luce di un laser è utilizzata per monitorare la posizione relativa degli specchi, che costituiscono delle masse di prova in caduta libera. Questi strumenti sono in grado di misurare spostamenti degli specchi dell’ordine di 10^(−18) m o inferiori, nella banda di frequenze 10 Hz − 10 kHz. Tale straordinaria sensibilità fa sì che i rivelatori siano limitati dalle fluttuazioni quantistiche dei fotoni che viaggiano nell’interferometro, un fenomeno noto come rumore quantistico. Le incertezze quantistiche in ampiezza e fase di questi fotoni possono essere correlate tra loro, in modo da ridurre il rumore quantistico in una porzione della banda di rivelazione. Gli stati non classici della luce che implementano queste correlazioni sono definiti stati squeezed ("compressi", in inglese), e possono essere iniettati in una cavità lineare "di filtro", detta filter cavity, non risonante alla frequenza degli stati squeezed. Questo processo estende il miglioramento della sensibilità all’intera banda di rivelazione. Questa tesi esplora strategie sperimentali per la riduzione a banda larga del rumore quantistico nei rivelatori di onde gravitazionali attuali e futuri mediante l’uso di stati di luce squeezed. La prima parte del lavoro riguarda la caratterizzazione dell’efficienza del sistema di squeezing del rivelatore Advanced Virgo+, ossia l’attuale versione dell’esperimento Virgo, durante il run osservativo O4. L’analisi dell’impatto dello squeezing sulla varianza del rumore quantistico misurato ha rivelato un’efficienza di circa 40% ad alte frequenze (f ≳ 300 Hz), che cresce fino al 65% su tutta la banda, dopo aver sottratto le sorgenti classiche (ossia non quantistiche) di degradazione dello squeezing. Questo risultato è fondamentale per aumentare l’orizzonte osservativo di Virgo grazie al suo sistema di squeezing, e farà da base per i futuri miglioramenti dell’apparato sperimentale di riduzione del rumore quantistico. Guardando al futuro, i rivelatori di prossima generazione, come l’Einstein Telescope, saranno dotati di filter cavity di scala chilometrica. Una promettente strategia di squeezing, alternativa all’uso di cavità esterne, è basata sull’entanglement quantistico di tipo Einstein- Podolsky-Rosen (EPR). Un prototipo su banco ottico, volto a esplorare questo schema nella banda di frequenze utile ai rivelatori di onde gravitazionali, è in fase di sviluppo. Il duty cycle delle parti dell’apparato trattate in questa tesi ammonta al 95%. In parallelo, è stato sviluppato un codice di simulazione analitica per valutare l’effetto EPR sulla sensibilità dei futuri rivelatori e confrontarla con quella degli esperimenti attuali. L’obiettivo scientifico di questo duplice approccio è supportare le scelte sul design dei futuri sistemi di squeezing, inserendosi in una serie di esperimenti R&D in corso con lo scopo di massimizzare l’enorme potenziale dell’astronomia delle onde gravitazionali.
In summary, these three projects addressed long-standing problems, opened up novel research perspectives and proposed/discussed state-of-the-art experiments in the exciting field of photonic lattices.They thus represent a valuable contribution to condensed matter physics as well as quantum optics and will foster further research in these areas.v Riassunto Generalmente i fotoni interagiscono solo debolmente con la materia alla maggior parte delle frequenze.Tuttavia, in sistemi quantistici ingegnerizzati, interazioni fotone-fotone di livello elevato possono essere ottenute accoppiando luce e materia in varie architetture di elettrodinamica quantistica (QED) delle cavità, dove i fotoni confinati in cavità miniaturizzate interagiscono con pochi atomi (reali o artificiali) esibenti grandi momenti di dipolo.L'utilizzo dei sistemi di cavità QED come elementi costitutivi di simulatori e computer quantistici ne ha contribuito in modo estremamente significativo allo sviluppo e al progresso.Allo stesso tempo, la possibilità di ingegnerizzare fotoni fortemente correlati, combinata con la natura intrinsecamente fuori dall'equilibrio dei sistemi di cavità, ha aperto diverse prospettive di ricerca nello studio della fisica non-equilibrio a molti corpi con la luce.I recenti sforzi sperimentali sono stati dedicati all'aumento progressivo della dimensione nei sistemi di cavità, al fine di implementare algoritmi quantistici, nonché per la ricerca di fasi di fotoni fortemente correlati in sistemi estesi.Disporre le cavità e gli atomi in un reticolo offre la possibilità di realizzare effetti collettivi derivanti dalle interazioni fotone-fotone, nonché dalla combinazione tra la dinamica coerente e quella pompata-dissipativa.Oggi, i reticoli fotonici costituiscono un'area di ricerca emergente al confine tra la fisica della materia condensata e l'ottica quantistica; questi sistemi sono descritti dal modello di Bose-Hubbard o dal cosiddetto modello di Jaynes-Cummings-Hubbard, che ha avuto origine agli inizi dell'ottica quantistica.All'interno di questa area di ricerca vi sono importanti questioni aperte, tra cui: qual è il destino delle fasi ordinate in scenari fuori dell'equilibrio?Qual è il ruolo del pompaggio e della dissipazione?Qual è l'importanza della geometria del reticolo nei sistemi pompati-dissipativi? Questi sono i compiti a cui ci dedichiamo in questa tesi.Nel primo progetto, studiamo un reticolo di cavità non-lineari accoppiate descritto dalla versione non-equilibrio del modello di Bose-Hubbard.Utilizzando un'approssimazione di campo medio, dimostriamo che la trasformazione continua tra stati a bassa e ad alta densità di fotoni, ereditata dalla singola cavità, si trasforma in una transizione isteretica di tipo gas-liquido oltre un valore critico del parametro di tunnel tra cavità vicine J. Il confine che separa le trasformazioni vi continue da quelle isteretiche presenta un marcato effetto di commensurabilità quantistica nel numero di fotoni per cavità, che ricorda i famosi lobi di Mott nella fase di equilibrio del modello di Bose-Hubbard.Questo risultato risolve un problema di lunga data e serve da ispirazione a nuovi esperimenti sulle fasi correlate in reticoli fotonici.Nella seconda parte del progetto studiamo uno sviluppo in 1/z (con z il numero di primi-vicini nel reticolo) per migliorare l'approssimazione di campo medio.Abbiamo dimostrato che questo metodo è particolarmente adatto per l'analisi di reticoli bidimensionali, che hanno recentemente suscitato notevole interesse sperimentale ma sono difficili da simulare esattamente con le tecniche disponibili.Nel secondo progetto, introduciamo la frustrazione geometrica nei reticoli fotonici.La frustrazione dà luogo a bande piatte nella relazione di dispersione, che sono estremamente sensibili alle perturbazioni e possono condurre a fasi esotiche della materia, finora principalmente esplorate in sistemi di spin e atomi freddi.Nella prima parte del progetto studiamo la relazione tra frustrazione e interazioni in un reticolo fotonico fuori dall'equilibrio che esibisce una banda piatta ed è descritto da una variante del modello di Jaynes-Cummings-Hubbard. Mostriamo come realizzare correlazioni tra i fotoni in un sistema pompato-dissipativo eliminando l'energia cinetica attraverso la frustrazione.Questo spinge il sistema verso uno stato incompressibile di fotoni, caratterizzato da un ordine cristallino a breve distanza e period-doubling.La seconda parte del progetto è dedicata alla relazione tra frustrazione e disordine.Analizziamo la scoperta sperimentale, che il pompaggio incoerente di un reticolo frustrato di microcavità a semiconduttore è in grado di creare un condensato di eccitoni-polaritoni che esibisce coerenza temporale ma non spaziale.Utilizzando la teoria di Anderson sulla localizzazione caratterizziamo gli effetti del disordine nel sistema e otteniamo una spiegazione soddisfacente dei risultati sperimentali.I risultati di questi due progetti aprono la strada per le simulazioni quantistiche di sistemi frustrati fuori dall'equilibrio e la realizzazione di stati esotici di luce esibenti correlazioni spaziali non banali.Nel terzo progetto, studiamo le proprietà di trasporto di un reticolo dissipativo di cavità accoppiate.Analizziamo l'interazione tra fotoni e materia, quando un singolo sistema a due livelli (qubit) è accoppiato al reticolo fotonico, che costituisce un sistema aperto.Il qubit agisce come un difetto nel reticolo e dà luogo a stati legati di tipo polaritonico, localizzati attorno alla cavità contenente il qubit.vii Caratterizzando la matrice di trasmissione del reticolo, dimostriamo che gli stati legati si trasformano in stati quasi-legati, ma con una vita media estremamente aumentata rispetto ai modi di Bloch standard del reticolo dissipativo.Questo sistema è stato recentemente realizzato in un circuito QED e può essere utilizzato in informazione quantistica e per controllare il trasporto di fotoni all'interno di una banda proibita.In sintesi, questi tre progetti hanno risolto problemi aperti, aperto nuove prospettive di ricerca e proposto/discusso esperimenti nel settore in continuo sviluppo dei reticoli fotonici.Essi rappresentano quindi un valido contributo alla fisica della materia condensata e all'ottica quantistica e favoriranno ulteriori ricerche in queste discipline.
È stato studiato un problema di scattering tra due particelle che interagiscono tramite un potenziale puntuale in tre dimensioni nel limite in cui una particella ha massa molto minore dell’altra. I risultati ottenuti hanno permesso di stimare gli effetti di decoerenza dinamicamente indotta su uno stato entangled della particella “pesante” che si ottengono quando la particella “leggera” viene utilizzata come misuratore per la posizione della particella “pesante”. Utilizzando la teoria delle estensioni autoaggiunte è stato modellizzato un sistema in cui una particella quantistica (senza spin) interagisce con uno spin posto in un punto fissato dello spazio mediante un potenziale singolare dipendente dallo spin. È stata discussa la caratterizzazione di tutte le possibili hamiltoniane di interazione ottenibili come perturbazioni puntuali dell’hamiltoniana libera. In alcuni casi particolari è stato possibile ottenere espressioni esplicite per il propagatore. La conoscenza della dinamica esatta del sistema ha permesso di valutare esplicitamente l’attenuazione dei termini di interferenza quantistica in uno stato entangled dello spin, dovuta all’interazione con la particella. È stato studiato un problema di interazione in una dimensione di un numero finito e infinito di sorgenti con il campo acustico. Lo scopo era quello di dimostrare che, in assenza di meccanismi di riflessione delle onde acustiche, il moto delle sorgenti risulta smorzato a causa dell’interazione con il proprio campo. Utilizzando la teoria delle estensioni autoaggiunte di operatori simmetrici è stata realizzata una formulazione del tutto nuova di tale problema. Tale formulazione ha permesso di ottenere risultati molto generali sullo smorzamento delle oscillazioni delle sorgenti.
Esta tesis explora dos enfoques distintos dentro del contexto de los efectos de la gravedad en sistemas cuánticos en una aproximación semiclásica. La primera investigación se centra en la posibilidad de distinguir entre diferentes teorías métricas dentro del formalismo post-Newtoniano, empleando diversas estrategias de discriminación de estados cuánticos no ortogonales. Se analiza la evolución temporal de un reloj cuántico masivo, demostrando cómo las diferencias en los parámetros post-Newtonianos inducen estados cuánticos distinguibles. Se proponen esquemas basados en mediciones de von Neumann, discriminación con error mínimo y discriminación no ambigua, derivando las longitudes de propagación óptimas para maximizar la probabilidad de éxito en la identificación de la teoría métrica correcta. La segunda investigación explora cómo la rotación de fase de Wigner, inducida por un campo gravitacional en la polarización de un fotón, puede utilizarse como una herramienta para la metrología cuántica en el límite de campo débil y rotación lenta de la métrica de Kerr. Se analiza un interferómetro geodésico tipo Mach-Zehnder, considerando la dilatación temporal relativa y la rotación de la polarización del fotón como recursos para la estimación del parámetro de rotación. Los resultados teóricos sugieren el potencial de los sistemas cuánticos para sondear aspectos fundamentales de la gravedad y realizar mediciones de alta precisión de parámetros de algún espaciotiempo en partícular.
Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie sind zwei grundsätzlich verschiedene physikalische Theorien, welche unabhängig voneinander mit sehr hoher Präzission experimentell geprüft wurden. Die Theorie der Quantenmechanik beschreibt Naturprozesse auf kleinen Skalen während die allgemeine Relativitätstheorie Beschreibungen auf großen Skalen ermöglicht. Jedoch ist es auch nach einem Jahrhundert intensiver Forschung nicht gelungen, ein Zusammenspiel dieser verschiedenen Theorien experimentell zu erforschen. Die andauernde Suche nach einer vereinheitlichten Theorie, welche alle bekannten Naturkräfte vereint, wird durch diese fehlende experimentelle Führung erheblich erschwert. Selbst Prozesse in denen die Quantenmechanik ihre Anwedung findet und die Gravitation klassisch beschrieben wird, wurden noch nicht im Labor überprüft. Diese Arbeit untersucht verschiedene Möglichkeiten, um die Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie auf dem Niveau einzelner Photonen zu testen. Diese Quantensysteme prüfen sowohl den Einfluss von gravitativen als auch nicht-inertialen Bewegungen auf Interferenz-Effekte durch den Einsatz verschiedener Interferometer deren Arme verschiedenen gravitativen und zentripetalen Potentialen unterliegen. Diese Potentialunterschiede erlauben es, je nach experimenteller Anordnung, das Äquivalenzprinzip zwischen träger/schwerer Masse und Energie zu überprüfen, was den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit darstellt. Zu diesem Zweck werden, nach einer kurzen Einleitung in die benötigten Grundlagen, die Eigenschaften und experimentellen Beschränkungen von optischen Lichtwellenleitern studiert, welche als Arme der Interferometer fungieren. Es wird gezeigt, dass sich Michelson Interferometer bestens zur Untersuchung von Trägheitseffekten von Einzelphotonen eignen, während sie sich für den Nachweis gravitativ induziierter Phasenschübe als nicht vorteilhaft erweisen. Weiters werden verschiedene Anordnungen eines Mach-Zehnder Interferometers zur Erforschung der Äquivalenz von Energie und träger/schwerer Masse studiert und die experimentellen Beschränkungen aufgezeigt. Wie die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, ist es aufgrund technischer Einschränkungen überaus schwierig Phasenschübe durch gravitativen Einfluss auf die Wellenfunktion eines einzelnen Teilchens nachzuweisen. Weisen die Arme eines Interferometers jedoch unterschiedliche Gravitations- und/oder Zentripetalpotentiale auf, so ist es im Rahmen heutiger technologischer Standards möglich die Masse-Energie Äquivalenz zu testen. Solche Tests können einen ausgezeichneten Leitfaden für Experimente darstellen, welche allgemein relativistische Effekte auf einzelne Quantensysteme nachweisen wollen, die im Rahmen der klassichen Gravitationstheorie nicht erklärt werden können.