Descripción y contextualización de la asignatura

Este curso sobre Laboratorios Cuánticos seguirá al curso obligatorio de Óptica Cuántica del primer semestre, aplicando y ampliando los fundamentos aprendidos allí a experiencias reales de laboratorio relacionadas con tecnologías cuánticas de onda de luz modernas, como las comunicaciones y la detección. Aproximadamente la mitad del contenido del curso se dedicará a clases de teoría, con el objetivo de introducir y revisar la física y la historia que subyacen a los experimentos que se llevarán a cabo en la segunda mitad.

Resultados del aprendizaje de la asignatura

Conocimientos o contenidos

RCO1. Ser capaz de explicar las bases fundamentales del mundo cuántico a nivel básico, así como a nivel técnico.

RCO2. Conocer la literatura básica sobre mecánica cuántica y ser capaz de leer con aprovechamiento artículos de investigación.

RCO3. Ser capaz de iniciar el desarrollo de ideas y aplicaciones originales en el contexto de la investigación en física cuántica.

RCO4. Tener la capacidad para investigar de manera individual, sintetizar y presentar de manera clara y estructurada cuestiones complejas relacionadas con las diversas áreas de conocimiento de la mecánica cuántica abordadas en el marco de este programa de máster.

RCO5. Capacidad bajo supervisión para redactar y defender un trabajo original, con el objetivo de cumplir con los estándares de calidad exigidos para su publicación en revistas indexadas en bases de datos de alto impacto.

RCO6. Ser capaz de identificar oportunidades de innovación y transferencia tecnológica en el ámbito de la ciencia y la tecnología cuánticas.

RCO12. Conocer la literatura básica de las aplicaciones de la mecánica cuántica al área de las Tecnologías Cuánticas.



Competencias

RC1. Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación.

RC2. Aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio.

RC3. Tener la capacidad de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios.

RC4. Capacidad de comunicar sus conclusiones y los conocimientos y razones últimas que las sustentan a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades.

RC5. Poseer las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo.



Habilidades o destrezas

HE= Habilidades de amplio espectro

RHE1. Tener capacidad de utilizar con las herramientas de búsqueda de recursos bibliográficos.

RHE2.Tener capacidad crítica para leer artículos de investigación e incorporar los resultados a su trabajo.

RHE3. Ser capaz de redactar y presentar un trabajo original en alguna de las lenguas oficiales y en inglés.

RHE4. Capacidad para comunicar de forma clara y efectiva conceptos y resultados científicos, tanto a audiencias especializadas como no especializadas, mediante presentaciones y publicaciones.

RHE5. Capacidad para aprender de manera autónoma y mantenerse actualizado en los avances científicos y tecnológicos.



HT= Habilidades específicas del título

RHT1. Comprender y aplicar los principios fundamentales de la mecánica cuántica para analizar y resolver problemas en el ámbito de la investigación básica en ciencia cuántica.

RHT2. Comprender y aplicar los principios fundamentales de la mecánica cuántica para analizar y resolver problemas en el ámbito de la tecnología cuántica.

RHT3. Incorporarse provechosamente a un proyecto de investigación fundamental o aplicada involucrando aspectos cuánticos y de resolver problemas en entornos multidisciplinares.

RHT5. Evaluar y seleccionar las herramientas y técnicas adecuadas para la obtención de aplicaciones tecnológicas basadas en la física cuántica.

RHT6. Integrarse en una empresa orientada al desarrollo de tecnologías cuánticas, contribuyendo tanto al avance de su investigación y desarrollo como a la implementación de nuevas estrategias basadas en los principios de la mecánica cuántica.

Temario

Physics of the Laser. History, spontaneous and stimulated emission, multilevel lasing model and rate equations, types and features of lasers, safety measures in laser labs.

Transient laser-matter interactions. Basics of non-stationary coherent interactions of light with matter, applications in time-resolved spectroscopy.

Quantum light sources. Basics of nonlinear quantum optics and frequency mixing, spontaneous parametric down-conversion, squeezing.

Characterization of quantum light states. Heralded single photons and entangled photon pairs, non-classical correlations, Hanbury Brown & Twiss effect, Bell`s inequalities, quantum-state tomography.

Quantum Interferometry. Wave-particle dualism, single-photon Michelson interferometer, particle indistinguishability, Hong-Ou-Mandel effect.

Quantum Communications. Fundamentals and state-of-the-art, random number generation, quantum key distribution and its protocols.

Quantum Sensing. Fundamentals of magnetometry using nitrogen-vacancy centres.

Uncertainty in experimental science. Fundamentals of uncertainty and error propagation theory.



PRACTICAL EXPERIENCES:

1 -Physics of the Laser: Alignment and beam characterization (spatial profile, M2 measurement); Michelson + Mach-Zehnder interferometry; Diffraction

2 -Time-resolved spectroscopy

3 -Generation of quantum light: Photon pairs and heralded single photons via SPDC. Photon statistics and comparison with coherent states using the second-order correlation function g(2)

4 -Characterization of entanglement and non-classical correlations present in quantum light. Quantum state tomography

5 -Photon indistinguishability and Hong-Ou-Mandel effect

6 -Testing wave-particle duality: Single-photon Michelson and Hanbury Brown & Twiss interferometry

7 -Quantum Key Distribution - BB84 protocol

8 -Quantum sensing using NV centres

Bibliografía

Bibliografía básica

"Quantum Optics for Experimentalists," Z.-Y. Ou. World Scientific.

"Principles of Lasers" - O. Svelto. Springer.

"Principles of Optics" - M. Born and E. Wolf. Cambridge Univ. Press.

"Nonlinear Optics" - R. W. Boyd. Academic Press.

"Introduction to Quantum Optics" - C.C. Gerry and P.L. Knight. Cambridge Univ. Press.

"Quantum Optics: An Introduction" - M. Fox. Oxford Univ. Press.

"The Quantum Theory of Light" - R. Loudon. Oxford Univ. Press.

"Quantum Optics" - M. O. Scully and M. S. Zubairy. Cambridge Univ. Press.

Revistas

List of relevant journal references provided by the lecturers.