Microscopic systems such as elementary particles, atoms, and molecules, can be comprehensively described only by quantum mechanics, which thus plays a crucial role for a better understanding of fundamental physics. A very important phenomenon that only occurs in quantum mechanics is entanglement, which describes non-classical correlations between microscopic systems. These correlations exist independently of the physical distance between them, as well as independently of the basis in which these are measured. Specifically, this is the aspect that makes entanglement a purely quantum phenomenon. The importance of quantum mechanics however goes much beyond fundamental physics, since quantum phenomena potentially allow us to solve complex issues associated with currently available technologies. For example, quantum mechanics and entanglement can allow for faster and more powerful computing and information processing, as well as guarantee fully secure communications. Complex entangled states are specifically required for these tasks, and many efforts have been spent towards their experimental realization. However, a full exploitation of entanglement necessitates a deep understanding of this phenomenon, as well as a complete characterization of entangled states. This still represents an open issue, especially in the case of quantum systems which are characterized by a large number of parties (i.e., the physical components - or units - forming a quantum system) and/or a high dimensionality. To date, a technique that enables the entanglement characterization of any arbitrarily complex quantum state in an experimentally feasible manner has not been developed yet. Moreover, realizing complex states in practical, scalable, and low-cost platforms, as demanded by modern technology, is still a big milestone to achieve. Motivated by the importance as well as by the crucial role of entanglement, we oriented our research interests towards the realization of complex quantum systems, as well as towards the derivation of a universal approach capable of characterizing their entanglement with a minimal experimental effort. Experimental feasibility is indeed at the basis of entanglement application for modern technology. Towards this goal, we first explored quantum systems that we could use as a basis for the realization of complex entangled states, i.e. consisting of multiple parties and levels (or dimensions). This investigation led us to the first ever generation of high dimensional frequency-entangled photon pairs on-chip. We further coherently manipulated these states in order to characterize their dimensionality through Schmidt mode decomposition, as well as their entanglement via quantum interference measurements and Bell inequality violations. The quantum state analysis pursued here provided us the basis for developing a universal approach for entanglement characterization. In this research work, we theoretically derived a universal entanglement witness that allows us to detect the presence of any arbitrarily complex pure quantum state, as well as of its eventual entanglement. We provided a technique that permits us to customize the witness (still preserving its mathematical properties) based on specific experimental restrictions and available measurement settings, in such a way to make the witness measurement experimentally feasible. Such a feature bridges the theoretical work pursued in this thesis and the experiments presented here. We explicitly derived a witness which is capable of detecting the presence of high-dimensional multipartite cluster states, and used this operator to test the robustness of these states toward noise. In connection to this, we present the first ever realization of a four-partite three level cluster state by making use of two photons that are simultaneously entangled (i.e. hyper-entangled) in time and in frequency. Cluster states are a class of multipartite systems with unique entanglement properties which make them crucial to realize so-called ‘one-way’ quantum computers. We confirmed the genuine multipartite entanglement of the generated cluster state by making use of the developed witness. We finally implemented two-partite projection measurements on the cluster state both in time and in frequency, thus demonstrating proof-of-principle high-dimensional one-way quantum processing. While cluster states have been already realized in quantum optical platforms for two-level systems, their extension to multiple levels (i.e. more dimensions) has never been explored prior to this work. The fundamental importance as well as the potential applications of cluster states in quantum technology, motivated us towards the investigation and the exploitation of these states in higher dimensions. The realizations demonstrated here were achieved in an integrated photonic platform, while quantum state manipulations were implemented by making use of fiber-based components that are compatible with off-the-shelf telecommunication infrastructures. In view of this, the results presented here are extremely timely with the latest technology advancements, which aim at reducing the size and the cost of platforms as much as possible. The work that has been specifically accomplished in the context of this research line and that is the main subject of this thesis has a theoretical footprint. In particular, the pursued studies have been focused on deriving a theoretical, yet experimentally oriented, formalism enabling the entanglement characterization of complex (i.e. multipartite and/or high-dimensional) photon states. More specifically, such a theoretical work was crucial for the experimental realization of entangled photon states, and to perform the quantum measurements necessary for their entanglement characterization. One of the main tasks described in this thesis was indeed to theoretically provide all the measurements needed for quantum state analysis in such a way that these could be reproduced and implemented in an experimentally feasible manner. In order to fully understand the formalism and the tools that we exploited in this research work, this thesis is organized as follows. Chapter 1 is an introduction to quantum mechanics. It contains the formalism that we used to describe quantum states, as well as the operations implemented on them. Chapter 2 is about the entanglement phenomenon. Here, we present classes of entangled states that are crucial for this research work. These are the so-called Bell states and hyper-entangled states. In Chapter 3 we introduce cluster states and witness operators. From the literature, we provide a description of how witnesses can be used to detect entanglement of two-level cluster states. Finally, Chapters 4, 5, and 6 report the investigation and results accomplished in this research work, with a main focus on the theoretical framework, in line with the theory work that has been accomplished during the PhD studies and that is the main subject of this thesis. La meccanica quantistica è la sola branca della fisica in grado di descrivere le proprietà e la dinamica dei sistemi microscopici, quali particelle elementari, atomi e molecole, ragion per cui essa gioca un ruolo cruciale per una maggiore comprensione della fisica fondamentale. Un concetto basilare della meccanica quantistica e che è privo di qualsiasi analogo classico è il fenomeno dell’entanglement, il quale descrive correlazioni tra due o più sistemi microscopici. Queste correlazioni persistono indipendentemente sia dalla distanza fisica che li separa sia dalla base rispetto alla quale tali sistemi vengono misurati. È proprio quest’ultimo aspetto a rendere l’entanglement un fenomeno di natura esclusivamente quantistica. L’importanza della meccanica quantistica va tuttavia ben al di là della comprensione della fisica fondamentale. In particolare, i fenomeni quantistici possono svolgere un ruolo chiave sia per lo sviluppo di nuove tecnologie sia per superare le capacità e i limiti delle tecnologie che sono attualmente disponibili. Ad esempio, certi fenomeni quantistici permettono di realizzare computer (chiamati appunto computer quantistici) con potenza ed efficacia di calcolo di gran lunga superiori al loro analogo classico e che sono inoltre capaci di immagazzinare e processare una maggiore quantità di dati. Oppure, l’entanglement fra due o più sistemi permette di comunicare in totale sicurezza. L’introduzione dei principi e dei fenomeni della meccanica quantistica nell’ambito delle tecnologie richiede l’utilizzo di stati entangled complessi. Per questo motivo, la comunità scientifica si è impegnata parecchio negli ultimi decenni nella realizzazione sperimentale di questi ultimi. Tuttavia, un appropriato utilizzo dell’entanglement in tutti i suoi aspetti richiede una piena comprensione di tale fenomeno, nonché la capacità di caratterizzare in toto qualsiasi stato entangled. Ciò rimane tuttora una questione aperta, soprattutto nel caso di stati quantistici complessi caratterizzati da un numero elevato di parti e/o di livelli (cioè multipartiti e/o multidimensionali). Ad oggi, non esiste un approccio universale in grado di studiare e caratterizzare l’entanglement di un sistema quantistico qualsivoglia complesso. In più, la realizzazione di stati entangled complessi su piattaforme pratiche, riducibili in scala e a basso costo, come richiesto dalle tecnologie moderne, rimane ancora un grande obiettivo da raggiungere. Motivati dall’importanza e dal ruolo cruciale dell’entanglement, abbiamo rivolto la nostra attività di ricerca alla realizzazione di stati entangled complessi, così come alla teorizzazione di un approccio universalmente valido e in grado di caratterizzare in pieno l’entanglement di questi. Un obiettivo importante che ci siamo prefissati nella derivazione di tale approccio era che questo permettesse di caratterizzare l’entanglement attraverso misure da effettuare con il minore sforzo sperimental
Microscopic systems such as elementary particles, atoms, and molecules, can be comprehensively described only by quantum mechanics, which thus plays a crucial role for a better understanding of fundamental physics. A very important phenomenon that only occurs in quantum mechanics is entanglement, which describes non-classical correlations between microscopic systems. These correlations exist independently of the physical distance between them, as well as independently of the basis in which these are measured. Specifically, this is the aspect that makes entanglement a purely quantum phenomenon. The importance of quantum mechanics however goes much beyond fundamental physics, since quantum phenomena potentially allow us to solve complex issues associated with currently available technologies. For example, quantum mechanics and entanglement can allow for faster and more powerful computing and information processing, as well as guarantee fully secure communications. Complex entangled states are specifically required for these tasks, and many efforts have been spent towards their experimental realization. However, a full exploitation of entanglement necessitates a deep understanding of this phenomenon, as well as a complete characterization of entangled states. This still represents an open issue, especially in the case of quantum systems which are characterized by a large number of parties (i.e., the physical components - or units - forming a quantum system) and/or a high dimensionality. To date, a technique that enables the entanglement characterization of any arbitrarily complex quantum state in an experimentally feasible manner has not been developed yet. Moreover, realizing complex states in practical, scalable, and low-cost platforms, as demanded by modern technology, is still a big milestone to achieve. Motivated by the importance as well as by the crucial role of entanglement, we oriented our research interests towards the realization of complex quantum systems, as well as towards the derivation of a universal approach capable of characterizing their entanglement with a minimal experimental effort. Experimental feasibility is indeed at the basis of entanglement application for modern technology. Towards this goal, we first explored quantum systems that we could use as a basis for the realization of complex entangled states, i.e. consisting of multiple parties and levels (or dimensions). This investigation led us to the first ever generation of high dimensional frequency-entangled photon pairs on-chip. We further coherently manipulated these states in order to characterize their dimensionality through Schmidt mode decomposition, as well as their entanglement via quantum interference measurements and Bell inequality violations. The quantum state analysis pursued here provided us the basis for developing a universal approach for entanglement characterization. In this research work, we theoretically derived a universal entanglement witness that allows us to detect the presence of any arbitrarily complex pure quantum state, as well as of its eventual entanglement. We provided a technique that permits us to customize the witness (still preserving its mathematical properties) based on specific experimental restrictions and available measurement settings, in such a way to make the witness measurement experimentally feasible. Such a feature bridges the theoretical work pursued in this thesis and the experiments presented here. We explicitly derived a witness which is capable of detecting the presence of high-dimensional multipartite cluster states, and used this operator to test the robustness of these states toward noise. In connection to this, we present the first ever realization of a four-partite three level cluster state by making use of two photons that are simultaneously entangled (i.e. hyper-entangled) in time and in frequency. Cluster states are a class of multipartite systems with unique entanglement properties which make them crucial to realize so-called ‘one-way’ quantum computers. We confirmed the genuine multipartite entanglement of the generated cluster state by making use of the developed witness. We finally implemented two-partite projection measurements on the cluster state both in time and in frequency, thus demonstrating proof-of-principle high-dimensional one-way quantum processing. While cluster states have been already realized in quantum optical platforms for two-level systems, their extension to multiple levels (i.e. more dimensions) has never been explored prior to this work. The fundamental importance as well as the potential applications of cluster states in quantum technology, motivated us towards the investigation and the exploitation of these states in higher dimensions. The realizations demonstrated here were achieved in an integrated photonic platform, while quantum state manipulations were implemented by making use of fiber-based components that are compatible with off-the-shelf telecommunication infrastructures. In view of this, the results presented here are extremely timely with the latest technology advancements, which aim at reducing the size and the cost of platforms as much as possible. The work that has been specifically accomplished in the context of this research line and that is the main subject of this thesis has a theoretical footprint. In particular, the pursued studies have been focused on deriving a theoretical, yet experimentally oriented, formalism enabling the entanglement characterization of complex (i.e. multipartite and/or high-dimensional) photon states. More specifically, such a theoretical work was crucial for the experimental realization of entangled photon states, and to perform the quantum measurements necessary for their entanglement characterization. One of the main tasks described in this thesis was indeed to theoretically provide all the measurements needed for quantum state analysis in such a way that these could be reproduced and implemented in an experimentally feasible manner. In order to fully understand the formalism and the tools that we exploited in this research work, this thesis is organized as follows. Chapter 1 is an introduction to quantum mechanics. It contains the formalism that we used to describe quantum states, as well as the operations implemented on them. Chapter 2 is about the entanglement phenomenon. Here, we present classes of entangled states that are crucial for this research work. These are the so-called Bell states and hyper-entangled states. In Chapter 3 we introduce cluster states and witness operators. From the literature, we provide a description of how witnesses can be used to detect entanglement of two-level cluster states. Finally, Chapters 4, 5, and 6 report the investigation and results accomplished in this research work, with a main focus on the theoretical framework, in line with the theory work that has been accomplished during the PhD studies and that is the main subject of this thesis. La meccanica quantistica è la sola branca della fisica in grado di descrivere le proprietà e la dinamica dei sistemi microscopici, quali particelle elementari, atomi e molecole, ragion per cui essa gioca un ruolo cruciale per una maggiore comprensione della fisica fondamentale. Un concetto basilare della meccanica quantistica e che è privo di qualsiasi analogo classico è il fenomeno dell’entanglement, il quale descrive correlazioni tra due o più sistemi microscopici. Queste correlazioni persistono indipendentemente sia dalla distanza fisica che li separa sia dalla base rispetto alla quale tali sistemi vengono misurati. È proprio quest’ultimo aspetto a rendere l’entanglement un fenomeno di natura esclusivamente quantistica. L’importanza della meccanica quantistica va tuttavia ben al di là della comprensione della fisica fondamentale. In particolare, i fenomeni quantistici possono svolgere un ruolo chiave sia per lo sviluppo di nuove tecnologie sia per superare le capacità e i limiti delle tecnologie che sono attualmente disponibili. Ad esempio, certi fenomeni quantistici permettono di realizzare computer (chiamati appunto computer quantistici) con potenza ed efficacia di calcolo di gran lunga superiori al loro analogo classico e che sono inoltre capaci di immagazzinare e processare una maggiore quantità di dati. Oppure, l’entanglement fra due o più sistemi permette di comunicare in totale sicurezza. L’introduzione dei principi e dei fenomeni della meccanica quantistica nell’ambito delle tecnologie richiede l’utilizzo di stati entangled complessi. Per questo motivo, la comunità scientifica si è impegnata parecchio negli ultimi decenni nella realizzazione sperimentale di questi ultimi. Tuttavia, un appropriato utilizzo dell’entanglement in tutti i suoi aspetti richiede una piena comprensione di tale fenomeno, nonché la capacità di caratterizzare in toto qualsiasi stato entangled. Ciò rimane tuttora una questione aperta, soprattutto nel caso di stati quantistici complessi caratterizzati da un numero elevato di parti e/o di livelli (cioè multipartiti e/o multidimensionali). Ad oggi, non esiste un approccio universale in grado di studiare e caratterizzare l’entanglement di un sistema quantistico qualsivoglia complesso. In più, la realizzazione di stati entangled complessi su piattaforme pratiche, riducibili in scala e a basso costo, come richiesto dalle tecnologie moderne, rimane ancora un grande obiettivo da raggiungere. Motivati dall’importanza e dal ruolo cruciale dell’entanglement, abbiamo rivolto la nostra attività di ricerca alla realizzazione di stati entangled complessi, così come alla teorizzazione di un approccio universalmente valido e in grado di caratterizzare in pieno l’entanglement di questi. Un obiettivo importante che ci siamo prefissati nella derivazione di tale approccio era che questo permettesse di caratterizzare l’entanglement attraverso misure da effettuare con il minore sforzo sperimental
In the case of mixed states ρAB of the composite system A ⊗ B, the previous relation generalizes to ρAB = ∑ k pkρ A k ⊗ρk , where pk are probabilities and ρk ’s (ρk ’s) are generic density matrix of the system A (B). The entanglement derives from “subtle” nonlocal correlations between the parts of a quantum system and combines three basic structural elements of quantum theory: the superposition principle, the quantum non-separability property and the exponential scaling of the state space with the number of partitions. This unique resource can be used to perform computational and cryptographic tasks otherwise impossible with classical systems. An entangled state shared by two or more separated parties is a valuable resource for fundamental quantum protocols, such as quantum teleportation [2], quantum computing [3] and quantum cryptography. By using entangled states we can deeply investigate the nonlocal properties of the quantum world. In fact, an entangled system exhibits correlations between two (or more) parties, which cannot be reproduced by a classical theory or, in general, by a Local Hidden Variables Theory (LHVT). Quantum optics represents an excellent experimental test bench for various novel concepts introduced within the framework of quantum information theory. Quantum states of photons, generally produced by a probabilistic process, namely spontaneous parametric down conversion (SPDC), may be easily and accurately manipulated using linear and nonlinear optical devices and measured by efficient single-photon detectors. Photonic qubits represent the typical carrier of quantum information and can be distributed over long distances, either in free-space or in low-loss optical fibers. Two-particle experiments correspond to operate with qubits belonging to a (2 × 2) Hilbert space. Many quantum information tasks and fundamental tests of quantum mechanics, such as the simulation of properties of quantum systems, the realization of quantum algorithms of increasing complexity and the investigation of the quantum world at a mesoscopic level, deal with a large number of qubits. In order to take full advantage of the possibilities offered by quantum mechanics, more qubits must be added to a quantum state. Two approaches may be followed to increase the number of qubits. The first one consists of increasing the number of entangled particles. In this way, multi-qubit entangled states are created by distributing the qubits between the particles so that each particle carries one qubit. A second strategy consists of encoding more than one qubit in each particle, by exploiting different degrees of freedom (DOFs) of the photon such as the polarization, the path, the emission time, the orbital angular momentum. This has been used to create two-photon fourand six-qubit states and up to five-photon ten-qubit graph states. The entanglement of two particles in different DOFs corresponds to socalled hyperentanglement. It is worth noting that multi-qubit hyperentanglement allows to achieve higher
Le tecnologie che sfruttano le proprieta della meccanica quantistica possono essere considerate il prossimo passo piu significativo nell'evoluzione della scienza dell'informazione e delle telecomunicazioni, considerando che quello precedente e stato lo sviluppo dei micro-transistor e delle comunicazioni wireless (senza fili). Teoricamente, persino i computer quantistici di piccole dimensioni potrebbero superare, in quanto a prestazioni, i piu grandi e potenti supercomputer, cosi come le telecomunicazioni quantistiche potrebbero consentire, in modo assolutamente sicuro, nonche senza il minimo rischio di perdita, lo scambio ultra-veloce di informazioni, perfino sulle piu lunghe distanze. Naturalmente, l'importanza di tali tecnologie ha comportato negli ultimi due decenni un grande impiego, da parte di istituzioni sia pubbliche che private, di risorse nel campo della ricerca e dello sviluppo, dando adito ad importantissimi sviluppi tecnologici e scoperte scientifiche.
Tuttavia, ad oggi nessuna di queste tecnologie e stata dimostrata su una piattaforma completa, autonoma e puramente quantistica. Questo in parte poiche la natura quantistica del mondo non e stata ancora compresa appieno ed i suoi principi basilari insinuano il dubbio nella comunita scientifica; in parte poiche le tecnologie odierne non sono in grado di supportare complicati processi quantistici. Una soluzione per entrambe le suddette questioni e stata proposta per essere messa in atto da simulatori, in grado di simulare o performare semplici imput quantistici, utilizzando cosi una piattaforma che potrebbe potenzialmente far intuire meglio la natura della teoria quantistica, ed allo stesso tempo dimostrerebbe il potenziale delle applicazioni quantistiche.
In questa tesi, il femtosecond laser micromachining e stato utilizzato per realizzare circuiti fotonici integrati, che permettono di propagare, controllare e modificare singoli fotoni, in substrati di vetro. Questa tecnologia permette di sviluppare in maniera semplice complicati strumenti ottici, i simulatori quantici, designati all'emulazione di processi quantici attraverso l'uso di singoli fotoni. In particolare, questo esperimento, che e la dimostrazione di una vera e propria simulazione fotonica quantistica, ha permesso per la prima volta di raggiungere l'obiettivo di simulare l'evoluzione di multiple eccitazioni in una catena di spin (catena di rotazione). Un esperimento che testa la proprieta fondamentale del quanto nel contesto della fisica quantistica, dimostrando l'importanza della piattaforma nell'indagine dei fondamentali concetti della fisica. Inoltre, e stato condotto con successo un esperimento sullo sviluppo di un set completo di componenti integrate di processi di polarizzazione per la lunghezza d'onda delle telecomunicazioni. Ed infine sono stati raggiunti significanti miglioramenti nel processo della fabbricazione, permettendo la realizzazione di waveguide arrays (schieramenti d'onda) per i percorsi di quanti multiparticellari.
Questo lavoro esamina le applicazioni del quantum computing in data science, riformulando problemi di ottimizzazione e machine learning attraverso un formalismo ibrido quantistico-classico. Innanzitutto, vengono presentati i concetti fondamentali della meccanica quantistica, limitando lo studio all’area di interesse del quantum computing ma allo stesso tempo impostando il contesto matematico in modo rigoroso. Dopodiche, attraverso una panoramica dell’hardware presente ad oggi e di quello atteso per il futuro prossimo, e con l’esaminazione dei problemi legati al rumore e al ridotto numero di qubit disponibili nei dispositivi quantistici moderni, si motiva il bisogno di un approccio ibrido per risolvere problemi complessi, che permetta ad hardware classico e quantistico di lavorare sinergicamente. Lo scopo di questo lavoro e quello di presentare strategie per modellare problemi di ottimizzazione e supervised e reinforcement learning in modo da far lavorare una Quantum Processing Unit sulle parti degli algoritmi computazionalmente piu costose. Vengono discussi sia i benefici sia gli svantaggi: i primi sono strettamente legati alla scelta di un modello di computazione nuovo, dal quale ci si aspetta l’esecuzione di operazioni classicamente intrattabili e lo sfruttamento della velocita intrinseca dei sistemi quantistici di raggiungere il ground state; i secondi derivano principalmente dalle attuali limitazioni ingegneristiche che non permettono un controllo efficiente di sistemi quantistici a larga scala. Vengono esaminati quattro casi di studio: un problema di classificazione di immagini auto-costruite attraverso un algoritmo di Support Vector Machine, il quale sfrutta funzioni che portano i dati dallo spazio di input allo spazio degli stati quantistici, construendo cosi un kernel quantum-enhanced; un problema di reinforcement learning, formulato come Quadratic Unconstrained Binary Optimisation (QUBO), con lo scopo di trovare una strategia vincente per il gioco del Blackjack usando dati auto-simulati; il Number Partitioning Problem, formulato come QUBO, che rappresenta lo scenario piu complesso dal punto di vista della connettivita dei qubit e, per grandi istanze, e capace di raggiungere la complessita di problemi reali; infine, il problema del limited-assets Markowitz portfolio optimisation, riscritto come QUBO, al fine di implementare un’euristica quantum-inspired che possa sormontare la complessita del problema al crescere della dimensione dell’input. Nel corso di questo lavoro sono stati analizzati sia l’approccio di computazione universale gate-model, sia quello di adiabatic quantum computing, con particolare attenzione verso quest’ultimo attraverso la maggior parte dei casi di studio. Per uno di questi, il Number Partitioning Problem, e stato sfruttato l’accesso in cloud ad un quantum annealer, che ha permesso uno studio completo delle capacita di tale macchina, in grado di risolvere tra i problemi piu complessi che i quantum computer moderni possano affrontare. Infine, non solo questo lavoro valuta l’accuratezza e la qualita delle soluzioni dei problemi esaminati, ma si concentra anche sul paragone tra strategie quantistiche e classiche, evidenziando le differenze e i benefici che un approccio quantistico o ibrido quantistico-classico puo portare nella risoluzione di problemi di ottimizzazione e machine learning, specialmente con l’eventuale disponibilita, nel futuro prossimo, di dispositivi a piu larga scala.
In the past decades, rapid advances in the experimental control of quantum systems have opened up unparalleled capabilities of engineering exotic quantum states. Nowadays, we may consider ourselves witnesses of a second quantum revolution as strongly correlated quantum matter is regularly created, on a daily basis, within the most diverse platforms, e.g. arrays of Rydberg atoms, ultra-cold atoms in optical lattices, superconducting qubits, trapped ions, and quantum dots. In this era, dubbed Noisy-Intermediate Scale Quantum (NISQ) era, the effort in pursuing research for realizing quantum technologies with practical purposes, such as quantum computing, simulations, communication and metrology, has greatly accelerated, and we are just starting to experience the immense progress that could be achieved. The remarkable breakthrough we are facing builds upon seminal theoretical and experimental advances in quantum physics. The key achievements in atomic, molecular, and optical (AMO) physics have opened up the possibility of controlling, trapping, and measuring single atoms, one by one, with high accuracy and reliability. In parallel, from a theoretical point of view, the study of quantum entanglement and correlations has bridged AMO physics and quantum information with crucial proposals for the realization of universal quantum computers. In this context, entanglement has emerged as one of the key tools to characterize and to exploit quantum many-body systems for quantum information purposes. We will study quantum entanglement in several scenarios to investigate and probe complex quantum many-body systems. We will consider examples ranging from generic mixed states in equilibrium to out-of-equilibrium dynamics, with and without dissipation, and topologically non-trivial systems. The leitmotif of this work will be how entanglement and correlations can be exploited to characterize the many-body quantum state describing a physical system and how entanglement can be detected in an experimentally efficient manner.
Le Tecnologie Quantistiche costituiscono un campo fortemente interdisciplinare che mette insieme i più diversi ambiti della fisica, dell'informatica e della chimica.Queste Tecnologie hanno subito, negli ultimi decenni, un larghissimo e rapidissimo sviluppo su scala mondiale sia per la portata concettuale dei loro metodi, che sta conducendo ad una comprensione sempre più profonda della meccanica quantistica (ovvero delle leggi fisiche che regolano l'Universo in cui viviamo), sia per le notevolissime ricadute tecnologiche nel campo della fisica atomica, dell'ingegneria, della chimica, della biologia, e della medicina.Il sogno di arrivare ad operare vere e proprie "macchine quantistiche" in grado di sfruttare appieno le proprietà degli stati quantistici sia microscopici che macroscopici è alla base di quella che si definisce "seconda rivoluzione quantistica" e che promette di superare l'impatto che la prima, con l'invenzione del transistor, del personal computer e del laser, ha già avuto sull'umanità.Un modo comple-
We characterize entanglement subject to its definition over real and complex, composite quantum systems. In particular, a method is established to assess quantum correlations with respect to a selected number system, illuminating the deeply rooted, yet rarely discussed question of why quantum states are described via complex numbers. With our experiment, we then realize two-photon polarization states that are entangled with respect to the notion of two rebits, comprising two two-level systems over real numbers. At the same time, the generated states are separable with respect to two complex qubits. Among other results, we reconstruct the best approximation of the generated states in terms of a real-valued, local expansion and show that this yields an incomplete description of our data. Conversely, the generated states are shown to be fully decomposable in terms of tensor-product states with complex wave functions. Thereby, we probe paradigms of quantum physics with modern theoretical tools and experimental platforms that are relevant for applications in quantum information science and technology and connected to the fundamentals of the quantum description of nature.