Fenomeni quantistici collettivi: dai sistemi fortemente correlati ai simulatori quantistici

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Il nostro gruppo di ricerca esplorera' le possibilita' offerte dal forte accoppiamento collettivo fra un consensato di atomi freddi ed il campo elettromagnetico in una cavita' ad alto fattore di qualita'. Considereremo vari regimi di accoppiamento, dal regime dispersivo a quello risonante, che danno origine ad una ampia gamma di fenomeni che vanno dall'accoppiamento optomeccanico effettivo tra condensato e modo di radiazione, all'auto organizzazione ed alla interazione collettiva effettiva alla “Dicke”. Tale ampio range di regimi, in gran parte ancora inesplorati, sara' analizzata per implementare schemi di misura non demolitiva per la rivelazione dello stato di gas ultrafreddi con possibili applicazioni in interefrometria atomica ed in tecnologie quantistiche, per la simulazione di hamiltoniane collettive di sistemi a molti corpi caratterizzati da transizioni di fase e per la loro rivelazione in sistemi di condensati interagenti col campo di cavita' e per esplorare nuovi aspetti termodinamici della dinamica di gas ultafreddi con particolare interesse per meccanismi di raffreddamento e per le proprieta' di trasporto.

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Comprendere le proprietà collettive della materia in regime quantistico rappresenta una sfida per la ricerca sia in capo teorico che sperimentale. Negli ultimi anni, metodi della teoria dell'informazione quantistica si sono rivelati molto utili per l'analisi di sistemi a molti corpi fortemente correlati. L’ibridazione tra la fisica della materia condensata e l'informazione quantistica trova i suoi sbocchi più promettenti negli esperimenti condotti su atomi ultrafreddi: grazie alle sofisticate tecniche di manipolazione degli stati quantistici, esperimenti su condensati atomici indirizzano verso la comprensione di questioni fondamentali nella fisica dei sistemi a molti corpi, quali ad esempio: la transizione di Mott, l'esistenza di stati fondamentali disordinati non superfluidi, la super-solidità. Allo stesso tempo, queste indagini sono rilevanti per l’informazione quantistica, grazie alla realizzazione di stati entangled a molte particelle, essenziali per lo sviluppo di possibili tecnologie quantistiche. È pertanto necessario predisporre un solido quadro teorico per l'interpretazione dei risultati sperimentali disponibili e per lo sviluppo di nuovi paradigmi.Elenchiamo nel seguito alcune delle linee guida lungo le quali si svilupperà il nostro progetto:- Grazie ai progressi nella realizzazione di sistemi a molti corpi altamente controllabili, sara' presto possibile emulare situazioni fisiche altrimenti inaccessibili con le tecniche sperimentali e i metodi teorici disponibili. Diventa quindi realizzabile l’idea pionieristica di Feynman di progettare simulatori quantistici. Un banco di prova privilegiato per esplorare tale possibilità è costituito dai sistemi di atomi ultrafreddi nelle diverse configurazioni che saranno esaminate in questo progetto.- La fisica degli atomi ultrafreddi in geometrie confinate è solitamente descritta a livello di campo medio, sebbene gli effetti di correlazione svolgano un ruolo importante nel determinarne le proprietà collettive. Pertanto la fisica dei sistemi quantistici interagenti richiede lo sviluppo di piattaforme sperimentali altamente controllate per verificare i metodi teorici e numerici a disposizione nello studio degli effetti di correlazione.- La caratterizzazione di fasi quantistiche correlate per mezzo di funzioni d'onda variazionali ha subito una notevole accelerazione in seguito allo sviluppo di tecniche numeriche avanzate, quali metodi di simulazione quantistici, metodi di diagonalizzazione, e il metodo del gruppo di rinormalizzazione della matrice densità (DMRG). Questi strumenti, ulteriormente raffinati, risulteranno preziosi per indagare i nuovi stati quantici collettivi della materia.- I metodi sviluppati nel quadro della teoria dell'informazione quantistica sono oramai uno strumento decisivo per la rilevazione di transizioni di fase difficilmente diagnosticabili attraverso l'utilizzo di simulazioni numeriche. Tecniche e metodi ispirati dalla teoria dell’informazione quantistica forniscono inoltre il quadro di riferimento per metodi numerici avanzati (DMRG) e per la progettazione di nuove efficienti strategie di simulazione numerica.- L'entanglement è una caratteristica genuinamente quantistica, che non ha controparte in fisica classica e consente miglioramenti decisivi, in termini sia di prestazioni sia di protocolli. L’entanglement è una risorsa inestimabile non solo per l’informazione quantistica ma, più in generale, per lo sviluppo di nuove applicazioni tecnologiche della fisica quantistica.- L’indagine delle proprietà di trasporto di sistemi quantistici è probabilmente destinata a d
StatusFinished
Effective start/end date1/1/1312/31/15