Aquest article de revisio se centra en el fenomen de l'emissio laser sense inversio de poblacio en configuracions atomiques de tres o mes nivells en interaccio amb un laser de preparacio. En primer lloc, es descriu breument l'interes i l'estat actual de la recerca al voltant d'aquest fenomen. A continuacio, es descriu amb detall el fonament fisic de l'emissio laser sense inversio i aixi s'analitza aquest fenomen en termes d'interferencia quantica entre els estats atomics vestits pel laser de preparacio. Paral·lelament, s'utilitza el formalisme dels salts quantics per introduir coeficients B d'Einstein generalitzats per a l'emissio estimulada i l'absorcio en aquests esquemes i com a consequencia, l'emissio laser sense inversio de poblacio s'explica en termes d'una no-reciprocitat en els coeficients per a l'emissio estimulada i l'absorcio. Aixi mateix, aquest formalisme permet analitzar l'emissio laser sense inversio en termes de l'efecte Zeno quantic. A mes a mes, s'investiguen alguns problemes concrets dels lasers sense inversio de poblacio com, per exemple i l'emissio laser sense inversio amb un camp laser de preparacio de frequencia menor que la del generat sense inversio, l'emissio laser sense inversio en absencia d'un camp de preparacio extern i la transparencia induida electromagneticament com a pas previ per a l'amplificacio sense inversio. Finalment, s'exploren alguns aspectes particulars de la dinamica d'aquests lasers com son l'emissio laser sense inversio en regim autopolsant o la generacio de polsos gegants de llum laser
Aquest article de revisio se centra en el fenomen de l'emissio laser sense inversio de poblacio en configuracions atomiques de tres o mes nivells en interaccio amb un laser de preparacio. En primer lloc, es descriu breument l'interes i l'estat actual de la recerca al voltant d'aquest fenomen. A continuacio, es descriu amb detall el fonament fisic de l'emissio laser sense inversio i aixi s'analitza aquest fenomen en termes d'interferencia quantica entre els estats atomics vestits pel laser de preparacio. Paral·lelament, s'utilitza el formalisme dels salts quantics per introduir coeficients B d'Einstein generalitzats per a l'emissio estimulada i l'absorcio en aquests esquemes i com a consequencia, l'emissio laser sense inversio de poblacio s'explica en termes d'una no-reciprocitat en els coeficients per a l'emissio estimulada i l'absorcio. Aixi mateix, aquest formalisme permet analitzar l'emissio laser sense inversio en termes de l'efecte Zeno quantic. A mes a mes, s'investiguen alguns problemes concrets dels lasers sense inversio de poblacio com, per exemple i l'emissio laser sense inversio amb un camp laser de preparacio de frequencia menor que la del generat sense inversio, l'emissio laser sense inversio en absencia d'un camp de preparacio extern i la transparencia induida electromagneticament com a pas previ per a l'amplificacio sense inversio. Finalment, s'exploren alguns aspectes particulars de la dinamica d'aquests lasers com son l'emissio laser sense inversio en regim autopolsant o la generacio de polsos gegants de llum laser
Aquest article de revisió se centra en el fenomen de l'emissió làser sense inversió de població en configuracions atòmiques de tres o més nivells en interacció amb un làser de preparació. En primer lloc, es descriu breument l'interès i l'estat actual de la recerca al voltant d'aquest fenomen. A continuació, es descriu amb detall el fonament físic de l'emissió làser sense inversió i així s'analitza aquest fenomen en termes d'interferència quàntica entre els estats atòmics vestits pel làser de preparació. Paral·lelament, s'utilitza el formalisme dels salts quàntics per introduir coeficients B d'Einstein generalitzats per a l'emissió estimulada i l'absorció en aquests esquemes i com a consequència, l'emissió làser sense inversió de població s'explica en termes d'una no-reciprocitat en els coeficients per a l'emissió estimulada i l'absorció. Així mateix, aquest formalisme permet analitzar l'emissió làser sense inversió en termes de l'efecte Zenó quàntic. A més a més, s'investiguen alguns problemes concrets dels làsers sense inversió de població com, per exemple i l'emissió làser sense inversió amb un camp làser de preparació de freqüència menor que la del generat sense inversió, l'emissió làser sense inversió en absència d'un camp de preparació extern i la transparència induïda electromagnèticament com a pas previ per a l'amplificació sense inversió. Finalment, s'exploren alguns aspectes particulars de la dinàmica d'aquests làsers com són l'emissió làser sense inversió en règim autopolsant o la generació de polsos gegants de llum làser.
La mecànica quàntica va néixer a començaments del segle passat per a explicar fenòmens que els models de l'època no podien explicar. Des de llavors n'han aparegut diferents formalismes i interpretacions, cadascun amb les seves peculiaritats, que permeten proposar solucions diferents a alguns problemes quàntics o ajudar a descriure'n la dinàmica. Al mateix temps, l'estudi de la llum ha seguit de prop el desenvolupament de la teoria quàntica: des del seu inici amb la descripció que va fer Albert Einstein de l'efecte fotoelèctric fins al desenvolupament de les font de llum làser. De fet, la llum làser ha demostrat ser una eina molt útil per a induir, manipular i mesurar el comportament quàntic de la matèria. Per exemple, els làsers han permès el desenvolupament de tècniques per a refredar, capturar i manipular àtoms neutres. Les ones de matèria atòmica en potencials òptics, elèctrics i magnètics s'han utilitzat per a posar a prova els principis de la mecànica quàntica i crear-ne aplicacions en, per exemple, el processat d'informació quàntica o l'atomtrònica, on els àtoms atrapats constitueixen dispositius anàlegs als díodes i transistors electrònics. D'altra banda, durant els últims cinquanta anys la intensitat de les fonts de llum ha experimentat un creixement gairebé exponencial. Aquests desenvolupaments han desafiat la física a trobar una descripció per als processos bàsics en la interacció entre la llum i la matèria, molt més complexos que l'efecte fotoelèctric d'Einstein, provocant fenòmens com la ionització multifotònica o l'emissió de radiació d'harmònics d'ordre alt. El punt de partida d'aquesta tesi és la narració del desenvolupament de la mecànica quàntica, després de la qual presentem els dos formalismes matemàtics de la teoria quàntica que usarem: la interpretació estàndard, que ens permet representar la dinàmica ondulatòria de la matèria, i la de de Broglie-Bohm, on la dinàmica es descriu a partir de trajectòries. La tesi tracta sobre dos sistemes òptics quàntics diferents, és a dir, sobre la interacció de la llum i la matèria a nivell quàntic. El primer sistema que estudiem és la manipulació coherent d'àtoms ultrafreds atrapats en potencials òptics. En particular, estudiem l'anàleg per a àtoms en un potencial amb tres trampes òptiques de la transferència adiabàtica Raman estimulada (STIRAP, de les sigles en anglès) de l'òptica quàntica. Gràcies al formalisme de de Broglie-Bohm, demostrem que la descripció d'aquest transport per a un àtom individual (o un condensat de Bose-Einstein) necessita correccions relativistes en alguns règims de paràmetres corresponents a realitzacions molt lentes del procés. A més, presentem pel cas de múltiples àtoms una tècnica per a transportar trampes buides en una fila de trampes òptiques i dissenyem dispositius atomtrònics per al control del flux d'ones de matèria. El segon sistema que estudiem és la ionització de l'hidrogen mitjançant polsos làser ultraintensos. Usem les trajectòries de de Broglie-Bohm per a obtenir informació sobre la dinàmica i proposar mètodes per a calcular, en un model unidimensional, els espectres de ionització per sobre del llindar i de generació d'harmònics. També estudiem la dinàmica d'ionització d'un àtom d'hidrogen interaccionant amb un feix de llum que porta moment angular orbital mitjançant càlculs tridimensionals, demostrant que és possible transmetre el moment angular orbital de la llum als electrons. Les trajectòries de de Broglie-Bohm de la dinàmica del procés permeten una visualització molt clara de l'absorció de moment angular per part dels electrons.
Aquesta tesi doctoral tracta sobre alguns aspectes de la generacio de comprimida en cavitats no lineals tipus Kerr. La comprimida es un dels tipus de llum quantica, un tipus de que posseeix propietats relatives a les fluctuacions en els valors esperats dels seus observables de les que no es pot donar compte si no es mitjancant l'us de la teoria quantica de la radiacio. L'estat buit del camp electromagnetic posseeix fluctuacions d'acord amb el principi d'incertitud d'Heisenberg. En aquest context, denominem comprimida a un tipus de radiacio que presenta en algun dels seus observables fluctuacions menors que les corresponents a l'estat buit. Aquest tipus especial de radiacio ha assolit forca importancia per diverses raons. D'una banda, permet anar mes enlla dels limits de la precisio que la mecanica quantica imposa per a les mesures realitzades emprant estats coherents - semblants als camps produits pels lasers -. A mes a mes, cal afegir que una nova area d'aplicacio ha fet creixer l'interes per la comprimida: el camp de la informacio quantica; coincidencia d'interessos ja que compressio de la i entrellacat quantic (entanglement) son dues cares de la mateixa moneda i l'entanglement es l'element fonamental responsable dels avantatges de la informacio quantica respecte de la informacio classica. Donat que l'estudi d'aquest tipus de implica l'analisi quantica cal remarcar que en aquest treball unicament descriurem quanticament la radiacio electromagnetica, pero obviarem la quantitzacio de la materia i de les interaccions a les quals puguera donar lloc. Aixi doncs, si partim d'aquesta descripcio, l'obtencio d'aquesta comprimida exigeix que estiga generada per processos optics no lineals, es a dir, processos l'Hamiltonia dels quals siga no lineal en els operadors creacio i destruccio quantics. La dinamica seguida en la interaccio entre el medi no lineal i el camp electromagnetic aporta graus alts de compressio per alguns valors dels parametres del sistema i dels camps injectats, els punts que anomenem critics i que corresponen als valors per als quals l'evolucio del sistema presenta una bifurcacio o be perque entra en un regim de biestabilitat o be perque s'engega un altre mode del camp electromagnetic. Pel que fa a les interaccions no lineals, tambe poden ser de diversos tipus, pero les de tipus ??²? i les del tipus ??³? son les mes emprades, ja que les interaccions ressonants son frequentment acompanyades de processos d'emissio espontania que devaluen la compressio. En aquesta tesi s'estudien les propietats per a produir comprimida de les cavitats no lineals del tipus ??³? tambe conegudes com cavitats Kerr. Pel que fa a la redaccio d'aquesta tesi, es pot agrupar en dos grans blocs. Per una part, hem dut a terme una contribucio en el domini de les eines matematiques que son necessaries per estudiar aquestos processos. La nostra contribucio, relativa a l'us de les distribucions de quasiprobablitat, apareix dins d'aquesta exposicio. A la segona part de la tesi s'aborden la resta d'aportacions: generacio de amb polaritzacio comprimida en una cavitat Kerr vectorial, obtencio de compressio no critica per trencament espontani de la simetria de rotacio i tambe per trencament espontani de la simetria de polaritzacio. Aquestes dues ultimes contribucions constitueixen exemples particulars d'un mecanisme de generacio de comprimida que ha estat proposat originalment pel nostre grup d'investigacio i tot fa pensar que aquesta tecnica fara possible obtenir nivells de compressio encara millors que els detectats fins aquest moment. El treball es tanca amb una recapitulacio critica dels resultats obtinguts aixi com de les perspectives de futur que s'obren amb la seua cloenda.
Hem investigat teoricament processos multifotonics en feixos atomics de 39K en tres configuracions diferents: (i) amplificacio multifotonica, (ii) emissio laser multifotonica i (iii) STIRAP multifotonic.
Per a les configuracions (i) i (ii), s'ha bastit un model de la interaccio entre dos camps electromagnetics intensos amb estats de polaritzacio fixos i la linia D1 d'una col·leccio d'atoms de potassi per tal de reproduir, tan fidelment com sigui possible, les condicions experimentals en que es van dur a terme uns experiments d'amplificacio i emissio laser relativament recents.
Aquest model ha estat deduit usant un formalisme semiclassic, mitjancant la matriu densitat i dins de les aproximacions usuals d'ona rotant, envolupant suaument variant, ona plana i camp uniforme, i te en compte la majoria dels factors fisics rellevants que juguen un paper en els processos d'amplificacio i emissio laser. En particular, s'han tingut en compte tots setze nivells atomics de l'estructura hiperfina de la linia D1, amb llurs corresponents moments dipolars electrics i taxes de relaxacio.
El model prediu correctament la posicio i el perfil de les diferents ressonancies amb guany multifotonic observades i la corresponent intensitat de l'emissio laser- i permet identificar-les i caracteritzar-les plenament, aixi com explicar el seu origen, determinant el grau de superposicio o interaccio entre elles. El model tambe es una eina per estudiar la dependencia respecte dels diferents parametres fisics, per explorar comportaments que son dificils d'atenyer experimentalment, com son els efectes d'interferencia entre els diferents camins quantics, i per estudiar la dinamica de l'emissio laser. A mes, considerant rangs de valors mes amplis per als diferents parametres implicats, hem estat capacos d'estudiar processos multifotonics de major ordre amb prou detall com per fer prediccions per a eventuals futurs experiments.
Per a la configuracio (iii), s'ha adaptat el mateix model de la primera part, usant camps amb perfil gaussia i un esquema de polaritzacions diferent, per tal d'investigar les possibilitats d'obtenir transferencia adiabatica de poblacio (Stirap) entre els diversos nivells de l'estructura hiperfina de la linia D1 del 39 K atomic. Els processos multifotonics estudiats han estat: (1+1) Raman, (2+2) hiper-Raman i (n+n) hiper- Rayleigh. En tots ells s'ha establert la possibilitat de transferencia de poblacio amb les caracteristiques d'alta eficiencia, selectivitat i baixa poblacio dels nivells intermedis, usant un esquema simple de tan sols dos polsos de llum sequenciats en l'anomenat ordre contra-intuitiu propi del Stirap. S'ha analitzat la no consecucio d'eficiencies que tendeixin al 100% en augmentar l'energia duta pels polsos, i s'ha establert un mecanisme per superar les causes d'aquesta no consecucio basat en l'us de dessintonies estatiques, el qual duu a grans increments de l'eficiencia. Finalment, s'ha dut a terme una analisi dels valors i vectors propis del Hamiltonia del sistema, la qual cosa ha permes caracteritzar les sequencies de transferencies, tant diabatiques com adiabatiques, que determinen l'evolucio temporal del sistema.
) constituent un sujet d'tude en pleine expansion non seulement sur le plan thorique mais aussi exprimental (1-6). Des expriences rcentes confirment la possibilit d'un effet de gain dans un systme 4 niveaux qui ne prsente pas d'inversion de population apparente, celle-ci peut tre "cache" (3). L'amplification SIP peut tre ralise soit en rduisant l'absorption grce la prparation d'un pigeage cohrent des sous-niveaux de l'tat fondamental, soit en utilisant des effets d'interfrences quantiques qui permettent de briser la symtrie entre le profil d'mission stimule et l'absorption. En particulier, dans un systme atomique 3 niveaux, une transparence peut tre induite (EIT) par l'application d'un champ laser externe en rsonance sur deux niveaux ou encore un continuum d'ionisation peut tre structur (LICS) en introduisant un couplage radiatif entre un tat li et le continuum de l'atome.
El camp de la informació quàntica, que sorgeix de la combinació entre la teoria de la informació i la física quàntica, ha experimentat un enorme progrés durant les darreres dècades, donant lloc a avenços revolucionaris en una àmplia varietat de camps interdisciplinaris, com ara la computació quàntica, la comunicació quàntica, els mesuraments d'alta precisió, i l'estudi fonamental de la teoria quàntica. No obstant això, les ambicioses metes en què la comunitat científica esta centrada, per exemple, la criptografia quàntica, els simuladors quàntics, o fins i tot la computació quàntica, tot just han començat a destacar.En la majoria d'aplicacions de la informació quàntica, per tal d'emmagatzemar i processar la informació s'utilitzen normalment sistemes amb un gran nombre d'àtoms, mentre que la llum s'utilitza com una eina per a manipular i realitzar operacions lògiques, així com per transmetre els bits quàntics entre nodes distants d'una xarxa quàntica. Per tant, la realització d'una interfície adequada entre la llum i els conjunts d'àtoms és essencial en la ciència de la informació quàntica. Quant a la interacció llum-matèria, un dels sistemes més rellevants són els àtoms de tres nivells en interacció amb un parell de camps electromagnètics. Els sistemes de tres nivells mostren una rica varietat de fenòmens quàntics a causa de les interferències produïdes degut a les dues vies d'absorció de la llum. Aquestes interferències quàntiques donen lloc, per exemple, a l'atrapament coherent de població, la transparència induïda electromagnèticament, o el passatge adiabàtic via estimulació Raman, que han trobat aplicacions en moltes àrees de la informació quàntica.Aquesta tesi, que recull el treball d'investigació que he realitzat durant el meu doctorat sota la guia i el suport dels meus supervisors i col·laboradors, se centra principalment en aplicacions de la informació quàntica amb àtoms de tres nivells en interacció amb camps electromagnètics, tant a nivell semi clàssic i com completament quàntic. Els tres primers capítols de l'obra es centren en l'estudi teòric de nous mètodes per implementar memòries quàntiques per qubits de fotons individuals en superposició de dues components, tant de la polarització com de la freqüència. Les memòries quàntiques són dispositius capaços d'emmagatzemar i recuperar a voluntat estats quàntics de la llum amb una alta eficiència i fidelitat, i són components essencials en moltes aplicacions de la informació quàntica, com ara en repetidors quàntics o en fonts de fotons individuals. Així, l'estudi de mètodes per emmagatzemar diferents tipus de codificació de la informació quàntica en fotons és una tasca essencial.D'altra banda, propostes addicionals en el context del processat d'informació quàntica, dutes a terme durant el meu doctorat, es recullen en els capítols finals. En particular, primer ens centrem en el problema de l'adreçament de llocs individuals per àtoms neutres ultra freds en xarxes òptiques amb un àtom per lloc. Aquesta proposta es du a terme mitjançant l'ús d'una tècnica de passatge adiabàtic selectiu segons la posició. A més, en segon lloc ampliem un model teòric capaç de proporcionar prediccions fiables sobre un experiment per a la producció de parells de fotons individuals, d'alta puresa i ample de banda controlat, utilitzant una configuració de conversió paramètrica espontània.