Applicazioni Fotonica 3: Emissione dispositivi quantistici

1. Applicazioni Fotonica 3: Emissione dispositivi quantistici

3. Quantum devices Quantum bits Quantum gates Quantum memories Flying Qubits Quantum emitters Quantum repeaters Quantum computation Quantum comunication

4. Campo quantistico Stati di Fock numero di fotoni definito Gli stati di Fock non rappresentano campi classici Fluttuazioni quantistiche

5. Stato coerente (classico) (Onda piana (LASER))

6. Stato coerente (Onda piana, sferica, fascio Gaussiano (LASER)) Roy Glauber Nobel Prize in Physics 2005 "for his contribution to the quantum theory of optical coherence"

7. Stato coerente (Onda piana, sferica, fascio Gaussiano (LASER)) Roy Glauber Nobel Prize in Physics 2005 "for his contribution to the quantum theory of optical coherence" Statistica Poissoniana

8. Statistica Poissoniana

9. QDs Emettitori quantistici

10. Introduction • QDs have atomic-like DOS, • but with nearly 105 -106 unit cells in the crystalline clusters • and embedded in semiconductor environment (devices)

11. Spettroscopia con risoluzione spaziale Micro PL Macro PL

12. trione bieccitone eccitone

13. Interazione Coulombiana rompe la degenerazione Interazione Coulombiana cambia l’energia della transizione ottica della shell S a seconda del numero di cariche spettatrici

14. Ogni transizione emette 1 fotone alla volta cattura cattura cattura QD è un emettitore (multifrequenza) di fotoni singoli. QUANTUM EMITTER

15. Come si verifica che uno stato è stato di Fock?

16. Funzione di correlazione temporale Per stati di Fock Stato di Fock Campo classico

17. Hanbury Brown & Twiss delay line

18. Hanbury Brown & Twiss random  bunching single photon  antibunching coherent

20. QDs Emettitori quantistici Criptografia quantistica

21. Criptografia: • Distribuzione del codice all’amico • Protezione del codice dal nemico Bob (Cheney) Alice (Bush) Eve (Bin Laden)

22. Criptografia antica • Cifrario di Cesare: shift di 4 lettere Alfabeto chiaro Alfabeto shiftato Testo chiaro Testo cifrato

23. Medioevo: chiavi polialfabetiche Alfabeto chiaro Alfabeto Z Alfabeto N Chiave Testo chiaro Testo cifrato

24. Enigma Turing-Bomb

25. Criptografia moderna (classica) • Fattorizzazione in numeri primi Problema facileProblema difficile Dato n Calcolare i fattori p e q Dati due numeri primi p e q calcolare il prodotto Esempi: p=14364, q=52347 → n=751912308 n=658789753 → p=? q=?

26. Criptografia moderna (classica) • Fattorizzazione in numeri primi Problema facileProblema difficile Dato n Calcolare i fattori p e q Dati due numeri primi p e q calcolare il prodotto Esempi: p=14364, q=52347 → n=751912308 n=658789753 → p=11113 q=59281

27. Quantum Cryptography E’ una delle tecnologie della Quantum Information la cui base è usare un Quantum Bit invece di un Classical Bit Classical Bit 1 0 |c = | a con a=0 oppure a=1 a,b Quantum Bit |q = a|0+b|1 con (aC,bC) e  a2+ b 2=1)

28. |  =cosf| + sinf|  Write Photonic qu(antum)bit • La polarizzazione può essere definita su una base arbitraria e i due stati sono 0 o 1. • Ogni fotone trasporta un qubit di informazione • I qubit del fotono sono facilmente inizializzabili in una base arbitraria

29. |  Photonic qu(antum)bit Read 1 con prob. (cosf)2 |  =cosf| + sinf|  0 con prob. (sinf)2 1 |  0 La lettura proietta lo stato sulla base scelta e dà solo un’informazione parziale che può essere completa solo se la base scelta coincide con quella di scrittura del qubit

30. 1 0 0/1 0/1 0/1 0/1 1 0 Photonic qu(antum)bit in QKD Si usano solo 4 qubits (0,1) nelle basi (0°,90°) e (-45°,45°) (0°,90°) (-45°,45°) Basi di lettura Risultati

31. Qubit communication

32. BB84 Protocol • Alice spedisce 4N random qubits {0°,90°,-45°,45°} a Bob • Bob misura ogni qubit in una base o {0°,90° } o {- 45°,45°} scelta a caso • Alice e Bob confrontano le loro 4N basi. In media 2N volte saranno uguali e solo questi casi sono considerati. • Alice e Bob verificano le misure su circa N bit scelti a caso fra i 2N bits considerati. • Se gli errori compatibili con la segretezza • I rimanenti N bits sono la chiave segreta Charles Bennett and Gilles Brassard in 1984.

33. Sicurezza della QKD • La lettura di un qubits necessariamente dà un’informazione parziale • Nessuno stato quantistico può essere clonato perfettamente. • Se QKD è trasportata da una serie di fotoni singoli, ogni fotone viene necessariamente alterato se viene letto. • Questo rende impossibile l’intercettazione segreta del messaggio.

34. Qubit communication

35. Entangled photon pairs X and XX can be entangled Entanglement and FSS