Från kvantoptik till kvantteknologier

I den första delen av kursen kommer vi att studera grunderna för kvantoptik, det vill säga hur materia (atomer) interagerar med ett elektromagnetiskt fält på kvantnivå (fotoner). Vi kommer att studera både den semi-klassiska och den fulla kvantmekaniska ljus-materia-interaktionen och lära känna ljusets olika kvanttillstånd och deras kvantoptiska beskrivning. I experiment som implementerar dessa byggstenar av kvantoptik kan man använda en mångfald av fysiska system, t ex atomer, fångade joner eller konstgjorda atomer som supraledande mikroelektroniska kretsar som har kvantmekaniska egenskaper som atomer.

I den andra delen kommer vi att tillämpa kvantoptikens formalism på olika fysiska plattformar inklusive supraledande kretsar, fångade joner, kalla atomer, kvävevakanscentra i diamant- och mekaniska resonatorer. Här är målet att förstå hur kvanteffekter kan utnyttjas för att bygga nya enheter och att använda nya mättekniker, som är nyckeln till alla de fyra kvantteknologipelarna. Kvantdatorer tillåter att utföra vissa beräkningar eller simuleringar genom att använda kvantalgoritmer som är snabbare än motsvarande klassiska algoritmer. Utvecklingen av kvantsimulatorer kan spåras tillbaka till R. Feynmans intuition att noggrant konstruerade kvantsystem skulle kunna användas för att effektivt simulera material och molekyler, vilket kan leda till genombrott inom materialvetenskap och kemi. Kvantkommunikationssystem gör det möjligt att kvantmekaniskt distribuera nycklar över absolut säkra kanaler och kan koppla samman kvantdatorer över stora avstånd. Slutligen drar kvantsensorer fördel av kvantfenomen som tillståndsuperposition och "pressade" kvanttillstånd för att bygga sensorer, bildsystem och metrologiska standarder med oöverträffad noggrannhet.