Óptica Cuántica
Código: 100180Créditos: 6
| Titulación | Tipo | Curso |
|---|---|---|
| Física | OP | 4 |
Profesor/a de contacto
- Nombre :
- Adam Valles Mari
- Correo electrónico :
- adam.valles@uab.cat
Equipo docente
- Axel Pérez-Obiol Castañeda
- Alessio Celi
Idiomas de los grupos
Puede consultar esta información al final del documento.
Prerrequisitos
No hay pre-requisitos. No obstante se recomienda haber cursado Física Cuántica I i II.
Objetivos
El objetivo de esta asignatura es proporcionar al alumnado los conceptos fundamentales del campo de la Óptica Cuántica. En concreto, estudiaremos en detalle los fenómenos de interacción luz-materia a nivel microscópico usando la teoría semiclásica y cuántica. Este conocimiento es la base de campos de investigación muy activos como la física de los láseres, el control coherente de ondas de materia, el enfriamiento y la captura de átomos, las memorias cuánticas o la información cuántica. A lo largo del curso se proporcionarán las conexiones con estos campos y se realizarán discusiones de resultados de investigación recientes.
Resultados de aprendizaje
- Realizar trabajos académicos de forma independiente usando bibliografía, especialmente en inglés, bases de datos y colaborando con otros profesionales.
- Comunicar eficazmente información compleja de forma clara y concisa, ya sea oralmente, por escrito o mediante TIC, y en presencia de público, tanto a audiencias especializadas como generales.
- Razonar críticamente, poseer capacidad analítica, usar correctamente el lenguaje técnico, y elaborar argumentos lógicos.
- Trabajar autónomamente, usar la propia iniciativa, ser capaz de organizarse para alcanzar unos resultados, planear y ejecutar un proyecto.
- Trabajar en grupo, asumiendo responsabilidades compartidas e interaccionando profesional y constructivamente con otros con absoluto respeto a sus derechos.
- Describir el concepto de coherencia espacial y temporal de la luz.
- Analizar la física de los sistemas atómicos de dos y tres niveles interaccionando con uno o dos campos láser, respectivamente.
- Deducir la fuerza dipolar de la luz y describir la presión de radiación.
- Formular las propiedades de los diferentes estados cuánticos del campo electromagnético.
- Calcular la dinámica de la interacción de un sistema de dos niveles en interacción con un único modo del campo electromagnético.
- Describir el fenómeno de la emisión espontánea.
- Calcular los estados vestidos de un sistema de dos niveles en interacción con un campo electromagnético cuántico.
- Describir el experimento de Hanbury-Brown and Twiss.
- Describir las técnicas de manipulación de los estados internos y externos de los átomos utilizando interacción luz-materia y sus aplicaciones a la ingeniería cuántica.
- Describir las técnicas de control de la propagación de la luz y sus aplicaciones en memorias cuánticas.
- Calcular, en la aproximación dipolar eléctrica y de la onda rotante, la dinámica de sistemas de dos y tres niveles en interacción con un campo clásico o cuántico.
- Modelizar la electrodinámica cuántica en cavidades.
- Resolver problemas de interacción luz-materia en teoría semiclásica utilizando la técnica de la matriz densidad.
- Plantear y resolver las ecuaciones de evolución coherente de un sistema de dos niveles atómico en interacción con un campo láser utilizando la ecuación de Schrödinger.
- Utilizar las variables normales para describir el campo electromagnético y su cuantización.
- Realizar un trabajo que relacione los conceptos de óptica cuántica estudiados con temas frontera actuales y presentar los resultados.
- Identificar situaciones que necesitan un cambio o mejora.
- Explicar el codi deontològic, explícit o implícit, de l`àmbit de coneixement propi.
Contenidos
1. Introducción
Introducción a la teoría clásica, semiclásica y cuántica de la interacción luz-materia. Estructura atómica.
2. Teoría semiclásica de la interacción luz-materia
Procesos básicos de interacción luz-materia. Ecuaciones de balance. Ecuación de Schrödinger. Átomo de dos niveles en la aproximación de la onda rotante. El desdoblamiento AC-Stark. Las oscilaciones de Rabi. El triplete de Mollow. El doblete de Autler-Townes. La fuerza dipolar. El formalismo de la matriz densidad para un átomo de dos niveles. Las ecuaciones de Bloch ópticas. Los estados vestidos. Pasaje rápido adiabético. El formalismo de la matriz densidad para un átomo de tres niveles. Captura coherente de la población. Transparencia inducida electromagnéticamente. Pasaje adiabático de población vía estimulación Raman.
3. Teoría cuántica de la interacción luz-materia
3. 1. Descripción de la luz
Electrodinámica clásica. Cuantización del campo e.m. Estados cuánticos del campo e.m. libre. Estados de Fock. Estados del vacío de fotones. Estados coherentes. Estados comprimidos. Detección homodina. Coherencia óptica y experimento de Hanbury-Brown y Twiss. Función de Wigner y otras representaciones de los estados cuánticos de la luz.
3. 2. Interacción luz-materia
Modelo de Jaynes-Cummings. El átomo vestido. Oscilaciones de Rabi cuánticas. Colapsos y resurgimientos. Electrodinámica cuántica en cavidades. Tratamiento de Weisskopf-Wigner de la emisión espontanea.
Actividades formativas y Metodología
| Título | Horas | ECTS | Resultados de aprendizaje |
|---|---|---|---|
| Presentación oral | 1,5 | 0,06 | 1, 2, 3, 4, 5, 21 |
| Clases teóricas | 33 | 1,32 | 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 |
| Resolución de problemas | 46 | 1,84 | 1, 2, 3, 4, 5, 10, 12, 16, 18, 19, 21 |
| Actividades para entregar | 1,5 | 0,06 | 1, 2, 3, 4 |
| Preparación y estudio de los fundamentos teóricos | 46 | 1,84 | 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 15, 17, 20, 21 |
| Clases de problemas | 16 | 0,64 | 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 |
En las clases de teoría se discutirán los contenidos de la asignatura siempre incentivando la participación del alumnado planteando preguntas.
En las clases de problemas se pretende que el alumnado participe de manera activa ya sea planteando dudas o participando en la resolución de ejercicios y cuestiones en el aula.
El trabajo autónomo del alumnado requerido en esta asignatura incluye tanto el estudio de los conceptos teóricos como la preparación y resolución de problemas.
La asignatura también presenta actividades supervisadas que consisten en la entrega de actividades y una presentación oral.
La presentación oral, que se realizará en grupo, consistirá en la preparación y presentación oral de un tema actual de la Óptica Cuántica.
El material, tanto para las clases de teoría como para las clases de problemas, será subministrado a traves del campus virtual de la asignatura.
Evaluación
Actividades de evaluación continuada
| Título | Peso | Horas | ECTS | Resultados de aprendizaje |
|---|---|---|---|---|
| Examen recuperación segundo parcial | 35% | 0 | 0 | 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 |
| Examen de recuperación primer parcial | 35% | 0 | 0 | 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 |
| Presentación oral | 15% | 0 | 0 | 1, 2, 3, 4, 5, 22, 23 |
| Entrega de actividades | 15% | 0 | 0 | 1, 2, 3, 4, 21 |
| Primer examen parcial | 35% | 3 | 0,12 | 6, 7, 8, 10, 11, 13, 14, 15, 16, 18, 19 |
| Segundo examen parcial | 35% | 3 | 0,12 | 9, 11, 12, 16, 17, 20 |
Evaluación continua
La nota final de la asignatura se obtendrá a partir de las siguientes proporciones:
- 35% : Nota del primer Parcial.
- 35% : Nota del segundo Parcial.
- 15% : Nota de las actividades a entregar.
- 15% : Nota de la presentación oral.
Para aplicar estos porcentajes es necesario que la nota (sobre 10) de cada uno de los parciales sea igual o superior a 3.5. En el caso que en alguno o en los dos parciales la nota sea inferior a 3.5, el/la estudiante se tendrá que presentar a la recuperación de la parte que tenga suspendida con nota inferior a 3.5. Si algún/a estudiante, aunque tenga la asignatura aprobada, quiere mejorar la nota puede presentarse a la recuperación de la parte que quiera y la nota que se utilizará para aplicar los porcentajes será la obtenida en la recuperación. La nota de la asignatura será de "no evaluable" cuando el/la estudiante no se presente a ningún examen o bien se presente solo a uno de los dos exámenes parciales y no se presente a la recuperación.
Evaluación única
El alumnado que se haya acogido a la modalidad de evaluación única tendrá que realizar una prueba final que consistirá en un examen de los contenidos del primer parcial. Seguidamente, tendrá que hacer un examen de los contenidos del segundo parcial. En ambos casos tendrá que resolver una serie de ejercicios parecidos a los que se han trabajado en la sesión de problemas así como cuestiones más teóricas. Estas pruebas se realizarán el mismo día, hora y lugar que las pruebas del segundo parcial de la modalidad de evaluación continua.
La nota del/de la estudiante será la media ponderada de las dos actividades anteriores, donde cada examen supondrá el 42.5% de la nota, y de la nota de la presentación oral, que habrá realizado durante el curso en el día establecido para todo el alumnado, y que representa el 15% de la nota.
Si la nota de cada una de las pruebas finales no llega al 3.5 (sobre 10) o si la nota final de la asignatura no llega a 5 (sobre 10), el/la estudiante tiene otra oportunidad de superar la asignatura mediante un examen de recuperación que se celebrará el mismo día, hora y lugar que el examen de recuperación de la modalidad de evaluación continua. En esta prueba se podrá recuperar el 85% de la nota, correspondiente a las pruebas finales. La presentación oral no es recuperable.
Uso de la IA
Para esta asignatura, se permite el uso de tecnologías de Inteligencia Artificial (IA) exclusivamente en tareas de apoyo, como la búsqueda bibliográfica o de información, la corrección de textos o las traducciones. El estudiante tendrá que identificar claramente qué partes han sido generadas con esta tecnología, especificar las herramientas empleadas e incluir una reflexión crítica sobre cómo estas han influido en el proceso y el resultado final de la actividad. La no transparencia del uso de la IA en esta actividad evaluable se considerará falta de honestidad académica y puede comportar una penalización parcial o total en la nota de la actividad, o sanciones mayores en casos de gravedad.
Irregularidades en actos de evaluación
La realización de cualquier irregularidad en un acto de evaluación (fraude académico, plagio o uso indebido de la IA), que pueda conducir a una variación significativa de la calificación, supone que este acto se calificará con un 0. En caso de que la guía docente prevea que para superar la asignatura sea requisito imprescindible haber obtenido una nota mínima en este acto de evaluación o que se produzcan varias irregularidades en los actos de evaluación de una misma asignatura, la calificación final de esta asignatura es 0. Al margen de esto, se podrá instruir un proceso disciplinario al estudiante que incurra en alguna de estas irregularidades.
Bibliografía
- Daniel A. Steck, Quantum and Atom Optics (2007); Oregon Center for Optics and Department of Physics. Oregon University
http://atomoptics.uoregon.edu/~dsteck/teaching/quantum-optics/quantum-optics-notes.pdf
- P. Meystre and M. Sargent, Elements of Quantum Optics, Springer-Verlag, 4th edition, 2007.
- M. O. Scully and M.S. Zubairy, Quantum Optics, Cambridge U. P., 1997.
- D. F. Walls and G.J. Milburn, Quantum Optics, Springer-Verlag, 2nd edition, 2008.
- C. C. Gerry and P. Knight, Introductory Quantum Optics, Cambridge University Press, 2005.
- C. Cohen-Tannoudji, J. Dupont-Roc and G. Grynberg, Atom-Photon Interactions: Basic processes and applications. John Wiley & Sons, 1998.
- C. Cohen-Tannoudji, J. Dupont-Roc and G. Grynberg, Photons and Atoms: Introduction to Quantum Electrodynamics. John Wiley & Sons, 1997.
- H. J. Metcalf and P. van der Straten, Laser Cooling and Trapping, Springer-Verlag, 1999.
- S. Haroche and J.M. Raimond. Exploring the Quantum: Atoms, Cavities and Photons. Oxford University Press, 2006.
- J. M. Raimond, M.Brune and S. Haroche, Reviews of Modern Physics 73, 565 (2001).
Software
No se requiere ningún software específico.
Grupos e idiomas de la asignatura
La información proporcionada es provisional hasta el 30 de noviembre. A partir de esta fecha, podrá consultar el idioma de cada grupo a través de este enlace. Para acceder a la información, será necesario introducir el CÓDIGO de la asignatura
| Tipo de docencia | Grupo | Idioma | Semestre | Turno |
|---|---|---|---|---|
| (TE) Teoría | 1 | Inglés | primer cuatrimestre | manaña-mixto |
| (PAUL) Prácticas de aula | 1 | Inglés | primer cuatrimestre | manaña-mixto |