Sistemi a due livelli e qubit fotonici

Giacomo Cicala

l codice GKP è stato proposto nel 2001 da Daniel Gottesman, Alexei Kitaev e John Preskill come un modo per codificare un qubit nello spazio delle fasi di un oscillatore, dove gli stati logici sono formati da sovrapposizioni coerenti di stati squeezed traslati periodicamente. A causa della difficoltà nella preparazione di tali stati, si è ritenuto a lungo che il codice GKP fosse inutilizzabile. Tuttavia, gli straordinari sviluppi dell’hardware quantistico e degli strumenti teorici negli ultimi due decenni hanno reso il codice GKP un promettente candidato nella corsa per costruire una tecnologia quantistica bosonica tollerante agli errori. In questa tesi, viene presentata una panoramica del codice GKP con enfasi sulla sua implementazione tramite sistemi fotonici, descritti dal formalismo dell’ottica quantistica a variabili continue.

Ferdinand Schmidt‐Kaler

Angelo Turrin

Stefano Olivares

Rainer Bücken

Matteo Biondi

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.