Proposte Tesi - Theoretical Physics and Complex Systems

Area	Titolo	Abstract	Contatto
Quantum information theory	Analysis of quantum key distribution	The security of the internet relies on distributing and managing secret keys. Modern cryptography generates keys that are secure conditional to the promise that some mathematical problem (such as factoring a large number) is hard to solve. This promise can be broken by more powerful supercomputers and quantum computers. Quantum key distribution (QKD) offers a solution to this security problem as it allows us to distribute unconditionally secure keys among distant users. The student will acquire the theoretical and mathematical tools to quantify the secrecy of a bit string and analyse a novel protocol for QKD based on coherent states of light. Further reading: https://arxiv.org/abs/2108.00428 https://arxiv.org/abs/2008.04142 https://arxiv.org/abs/1902.01317	cosmo.lupo@poliba.it
Quantum information theory	Measuring quantum randomness	Measurements in quantum mechanics exhibit an intrinsic randomness that cannot be associated to lack of knowledge about the physical system. It has been proposed to use this phenomenon to build a "quantum random generator". The student will acquire the theoretical and mathematical tools to quantify randomness from physical systems, and use these tools to analyse a novel design for a quantum random number generator based on optical measurements of entangled states. Further reading: https://arxiv.org/abs/1812.05377 https://arxiv.org/abs/1401.7917	cosmo.lupo@poliba.it
Quantum information theory	Sub-wavelength resolution from quantum imaging	Ghost imaging exploits quantum or classical correlations to create an image of an object using the coincidences between pairs of photon detection events. In a standard set up, two correlated photons are generated. The first photon is scattered by the target object, and is then detected by a bucket detector. A bucket detector only reveals the presence of the photon, without spatial resolution. The second photon, which never interacts with the object, is instead focused on an array of detectors, which yield 2D spatial resolution. A diffraction-limited image is obtained by processing the data collected in correspondence of coincidence events. The student will explore the ultimate resolution of ghost imaging and the possibility of achieving resolution beyond the diffraction limit. Further reading: https://arxiv.org/abs/1909.09581 https://arxiv.org/abs/1401.4318	cosmo.lupo@poliba.it
Complex Systems	High order complex networks	Negli ultimi 20 anni, le complex networks si sono imposte come un potente paradigma per modellare l’organizzazione dei sistemi complessi. Nonostante i suoi numerosi successi, l'astrazione di un sistema in termini di nodi e links è un modello che presenta alcuni limiti, che sono diventati più evidenti con la crescente disponibilità di “multi-way relational data”. Per superare questi limiti è nato il campo emergente delle high-order complex networks, tese a mettere in evidenza le interazioni “many-body” tra gli elementi di un sistema complesso. L’attività di tesi riguarderà un approccio alle high-order complex networks basato sulla information theory, che permette di disambiguare interazioni a molti corpi di tipo ridondante e quelle di tipo sinergistico. Gli approcci computazionali sviluppati potranno essere applicati a sistemi classici della Fisica (e.g. Ising, Kuramoto, etc…) nonché a data-sets relativi ad una delle seguenti applicazioni: neuroscienze, fisiologia, finanza, climatologia, musica. L’attività di tesi si collocherà in un network di collaborazione che comprende, oltre a vari gruppi di ricerca italiani, anche l’Università di Ghent in Belgio, il centro di ricerca Biocruces in Spagna e Imperial College di Londra.	sebastiano.stramaglia@ba.infn.it
Quantum Optical Technologies	Correlation Plenoptic Imaging, from foundations to applications	L’imaging plenottico in correlazione (CPI) è una nuova modalità di imaging quantistico che consente di rifocalizzare, a posteriori, fotografie sfocate e di ricostruire l’immagine tridimensionale di una scena, offrendo una combinazione di risoluzione e di profondità di campo senza precedenti. La tecnica trova applicazione in svariati contesti, dalla microscopia all’ispezione industriale, dal target detection all’imaging dallo spazio. Le proposte di tesi di laurea sono incentrate su attività sia sperimentali sia teoriche. In particolare, sono disponibili progetti di tesi con carattere di fisica fondamentale (CPI con fotoni entangled, CPI in presenza di scattering e turbolenza, CPI con sorgenti a bassa coerenza, studio del rumore nei dispositivi di CPI, CPI con sensori a singolo fotone, imaging quantistico nel regime dei raggi X, ecc.) e di fisica applicata (costruzione e caratterizzazione di prototipi di CPI per microscopia, imaging iperspettrale, ispezione industriale, imaging dello spazio, imaging per esperimenti di fisica delle particelle, ecc.). L’attività di ricerca è condotta in collaborazione con università e centri di ricerca internazionali (EPFL, Università di Olomouc, INRIM, CNR, INFN, ecc.) e con aziende interessate allo sviluppo di dispositivi per imaging quantistico (Planetek, Leonardo, ecc.). Il lavoro di tesi si svolge in stretta interazione con dottorandi, assegnisti e giovani ricercatori del gruppo di ricerca locale. Le attività svolte per la tesi costituiscono in molti casi la base per pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali e, in casi specifici, per la presentazione di una domanda di brevetto.	milena.dangelo@uniba.it, francesco.pepe@ba.infn.it