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Studio di un dispositivo in guida d'onda a canale su substrato di niobato di litio periodicamente polarizzato per la generazione di fotoni quantisticamente correlati mediante fluorescenza parametrica

Questo lavoro di tesi si colloca in un settore di ricerca che negli ultimi tempi ha assunto un'importanza sempre maggiore. Infatti è consistito nella realizzazione e caratterizzazione di una sorgente di fotoni entangled: ricordiamo che questi trovano impiego sia in misure di verifica del carattere non locale della meccanica quantistica, che in applicazioni nel campo delle comunicazioni quantistiche (sistemi di crittografia, teletrasporto di uno stato quantico ecc.).
In vista di queste ultime applicazioni è importante sviluppare sorgenti efficienti di fotoni entangled a lunghezze d'onda intorno a 1550 nm, dal momento che questo valore rappresenta uno standard per le telecomunicazioni.
La tecnica impiegata per ottenere fotoni entangled a 1550 nm si basa sul processo fisico di fluorescenza parametrica degenere in un cristallo ottico non lineare del secondo ordine: il dispositivo è stato realizzato in una configurazione in guida d'onda: ciò consente di ottenere un'efficienza assai maggiore rispetto al caso della propagazione libera che viene abitualmente utilizzato in misure con fotoni entangled. Questo ha reso il lavoro particolarmente significativo, dal momento che in letteratura non sono stati ancora riportati casi di sorgenti di fotoni entangled in guida d'onda a 1550 nm.
Il lavoro svolto si può suddividere in tre fasi: progettazione del dispositivo, fabbricazione e misure di caratterizzazione.
Per quel che riguarda la fabbricazione sono stati ottimizzati i processi che portano alla realizzazione di una guida d'onda a canale su un substrato di niobato di litio: tecniche fotolitografiche, evaporazione di metalli, tecniche di scambio protonico.
Particolare impegno è stato profuso nella messa a punto di un metodo che consentisse l'inversione periodica dei domini ferroelettrici del niobato di litio: questa operazione, fatta mediante l'applicazione di un campo elettrico esterno al cristallo, ha consentito di realizzare la struttura necessaria per ottenere l'adattamento di fase tra i campi coinvolti nel processo di fluorescenza parametrica, situazione in corrispondenza della quale si ha la massima efficienza.
Per quel che riguarda la realizzazione e progettazione delle misure di caratterizzazione sul dispositivo fabbricato, si deve tenere presente che una misura diretta del segnale di fluorescenza parametrica non è banale, data l'inefficienza del processo; inoltre, nel nostro caso, la situazione era complicata dal fatto di dover misurare un segnale a circa 1550 nm, cosa che comporta l'utilizzo di rivelatori e strumentazioni particolari non disponibili nel laboratorio dove è stato svolto il lavoro. Si è ovviato a questa difficoltà ricorrendo ad una misura di generazione di seconda armonica nella guida d'onda realizzata, da cui poi è stata stimata l'efficienza del processo inverso di fluorescenza parametrica degenere.
Il risultato ottenuto per questa stima è confrontabile con i migliori risultati riportati in letteratura (per altre lunghezze d'onda), a conferma della validità del lavoro svolto.
Infine è stato fatto un primo studio di possibili schemi sperimentali che consentano in futuro di effettuare misure quantistiche che sfruttino l'entanglement tra i fotoni generati da una sorgente come quella realizzata.

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iii Prefazione Negli ultimi anni sono stati realizzati un numero sempre crescente di esperimenti basati sul concetto quantistico di entanglement, che non ha riscontro in termini classici: questo termine, difficilmente traducibile in italiano a , indica una particolare correlazione tra due o più particelle, che fa sì che solo lo stato complessivo di queste possa essere descritto, ma non si possa stabilire con esattezza lo stato specifico della singola particella indipendentemente da quello delle altre. I sistemi di particelle entangled sono stati utilizzati dapprima in esperimenti di fisica fondamentale, per provare la non località della meccanica quantistica attraverso la verifica delle disuguaglianze di Bell. Tuttavia di recente sono state proposte una serie di applicazioni pratiche basate sulla peculiare natura dell’entanglement, soprattutto nel campo delle comunicazioni e dell’informazione quantistica: sono stati ad esempio suggeriti una serie di protocolli di crittografia che sfruttano sistemi di particelle entangled, e sono stati realizzati esperimenti per ottenere il teletrasporto quantico, in cui lo stato di una particella viene trasmesso spazialmente a distanze arbitrarie. Inoltre l’entanglement è stato utilizzato anche in applicazioni di metrologia. Sebbene in linea di principio uno stato entangled sia indipendente dal tipo di particelle impiegate per ottenerlo, in pratica la maggior parte delle applicazioni fa uso di fotoni. Le prime sorgenti di fotoni entangled si basavano su fotoni emessi in seguito a transizioni atomiche in cascata, ma adesso le sorgenti più efficienti sfruttano il processo di fluorescenza parametrica in cristalli ottici non lineari del secondo ordine, grazie al a La traduzione letterale di “entanglement” è “aggrovigliamento, intrappolamento”.

Tesi di Laurea

Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali

Autore: Leonardo Papi Contatta »

Composta da 125 pagine.

 

Questa tesi ha raggiunto 1819 click dal 20/03/2004.

 

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Disponibile in PDF, la consultazione è esclusivamente in formato digitale.