Il paradosso EPR e la disuguaglianza di Bell

In questa tesi viene affrontato il problema dell'interpretazione della meccanica quantistica a partire dall'analisi del paradosso Einstein-Podolsky-Rosen, che impone la rinuncia ad uno dei due seguenti principi: la completezza della meccanica quantistica o la località. Questa scoperta portò allo sviluppo di una nuova classe di teorie dette "a variabili nascoste" con l'obiettivo di completare la meccanica quantistica. J. S. Bell, confrontando la teoria quantistica e le teorie proposte che intendevano completarla, realizzò che esiste un metodo sperimentale in grado di determinare quale delle due alternative sia quella giusta. Il cosiddetto teorema di Bell diede il via ad una serie di esperimenti con lo scopo di verificare se la località è violata nei processi microscopici, e con questo risolvere il conflitto tra le due possibili interpretazioni della meccanica quantistica

Macroscopic Quantum Superpositions in a Wide Double-Well Potential

We present an experimental proposal for the rapid preparation of the center of mass of a levitated particle in a macroscopic quantum state, that is a state delocalized over a length scale much larger than its zero-point motion and that has no classical analog. This state is prepared by letting the particle evolve in a static double-well potential after a sudden switchoff of the harmonic trap, following initial center-of-mass cooling to a sufficiently pure quantum state. We provide a thorough analysis of the noise and decoherence that is relevant to current experiments with levitated nano- and microparticles. In this context, we highlight the possibility of using two particles, one evolving in each potential well, to mitigate the impact of collective sources of noise and decoherence. The generality and scalability of our proposal make it suitable for implementation with a wide range of systems, including single atoms, ions, and Bose-Einstein condensates. Our results have the potential to enable the generation of macroscopic quantum states at unprecedented scales of length and mass, thereby paving the way for experimental exploration of the gravitational field generated by a source mass in a delocalized quantum state.Comment: 6 pages, 3 figures, 1 tabl

PULSEE: A software for the quantum simulation of an extensive set of magnetic resonance observables

We present an open-source software for the simulation of observables in magnetic resonance experiments, including nuclear magnetic/quadrupole resonance NMR/NQR and electron spin resonance (ESR), developed to assist experimental research in the design of new strategies for the investigation of fundamental quantum properties of materials, as inspired by magnetic resonance protocols that emerged in the context of quantum information science (QIS). The package introduced here enables the simulation of both standard NMR spectroscopic observables and the time-evolution of an interacting single-spin system subject to complex pulse sequences, i.e. quantum gates. The main purpose of this software is to facilitate in the development of much needed novel NMR-based probes of emergent quantum orders, which can be elusive to standard experimental probes. The software is based on a quantum mechanical description of nuclear spin dynamics in NMR/NQR experiments and has been widely tested on available theoretical and experimental results. Moreover, the structure of the software allows for basic experiments to easily be generalized to more sophisticated ones, as it includes all the libraries required for the numerical simulation of generic spin systems. In order to make the program easily accessible to a large user base, we developed a user-friendly graphical interface, Jupyter notebooks, and fully-detailed documentation. Lastly, we portray several examples of the execution of the code that illustrate the potential of a novel NMR paradigm, inspired by QIS, for efficient investigation of emergent phases in strongly correlated materials.Comment: 51 page

Simulation of NMR/NQR observables and spin control for applications in Quantum Science

Il mio progetto di tesi consiste nello sviluppo di un programma per la simulazione numerica di esperimenti di risonanza magnetica/di quadrupolo nucleare (NMR/NQR), con l’obiettivo di realizzare una connessione tra la teoria e le evidenze sperimentali: dopo aver ricostruito la dinamica degli spin nucleari prevista in base alla teoria, il software simula a partire da questa i risultati delle misure, presentandoli in una forma confrontabile con i dati ottenuti in laboratorio. L’intero lavoro è fondato su uno studio completo e approfondito della descrizione quantistica dei fenomeni di interesse, la quale è servita come modello su cui plasmare la struttura del programma. Le simulazioni eseguite sondano buona parte della fenomenologia studiata nei laboratori NMR, abbracciando un ampio spettro di configurazioni che comprende NMR ed NQR pure e reciprocamente perturbate. Il software è stato impiegato anche per la riproduzione delle tecniche sperimentali finalizzate all’implementazione di qubit e quantum gates in sistemi NQR, dimostrandosi uno strumento utile per la ricerca nell’ambito del controllo quantistico ed elaborazione dell’informazione quantistica. Questo lavoro di tesi è stato realizzato nell'ambito di un progetto di cooperazione internazionale dell'Università di Bologna in collaborazione con la Brown University, Providence (USA)