Medidas experimentais foram realizadas para determinar as escalas de tempo de relaxação e decoerência do spin eletrônico como bit quântico.A estrutura dos estados de exciton foi investigada com o objetivo de servir como estados intermediários na manipulação do spin.O sistema utilizado para o estudo de decoerência é um ensemble de pontos quânticos auto-formados semicondutores.Dois temas servem como eixos centrais dos três experimentos desenvolvidos nesta tese: a polarização de spin e o fator g de Landé.No primeiro experimento, ao incluir o efeito do reservatório térmico, foi obtido o grau de polarização do spin (populações dos níveis up e down) para as camadas s e p. O desdobramento dos níveis orbitais em subníveis de spin permitiu obter a magnitude do fator g para estes estados.Mudando a orientação do campo magnético, foram observadas as anisotropias do tensor g e a sua relação com os detalhes do potencial de confinamento.Estas características permitiram inferir o tempo de relaxação T 1 .A medida da polarização resolvida no tempo foi realizada através de espectroscopia óptica de bombeio-prova.Os pulsos de luz e o campo magnético transverso permitem que uma polarização líquida seja inicializada.A rotação de Kerr permitiu observar oscilações desta polarização em torno do campo magnético com freqüência determinada pelo fator g.A perda da coerência de fase do spin resulta no decaimento destas oscilações numa escala de tempo T 2 .Medidas realizadas num ensemble de spins implicam em que o tempo de decoerência encontra-se limitado pela escala de defasagem T * 2 < T 2 .Uma técnica semelhante à refocalização por spin-eco em experimentos de ressonância magnética nuclear, foi aplicada utilizando pulsos de laser para reverter a defasagem do ensemble.Tanto a possibilidade de medir o sinal de eco como o tempo de decoerência foram medidos como função da temperatura.A estrutura de níveis de exciton e a sua distribuição no ensemble foi esvii viii tudada também com espectroscopia de bombeio-prova.Foram observados batimentos quânticos entre os níveis de estrutura fina do exciton para sistemas 0D e 2D limitados pelo tempo de recombinação.
Medidas experimentais foram realizadas para determinar as escalas de tempo de relaxação e decoerência do spin eletrônico como bit quântico.A estrutura dos estados de exciton foi investigada com o objetivo de servir como estados intermediários na manipulação do spin.O sistema utilizado para o estudo de decoerência é um ensemble de pontos quânticos auto-formados semicondutores.Dois temas servem como eixos centrais dos três experimentos desenvolvidos nesta tese: a polarização de spin e o fator g de Landé.No primeiro experimento, ao incluir o efeito do reservatório térmico, foi obtido o grau de polarização do spin (populações dos níveis up e down) para as camadas s e p. O desdobramento dos níveis orbitais em subníveis de spin permitiu obter a magnitude do fator g para estes estados.Mudando a orientação do campo magnético, foram observadas as anisotropias do tensor g e a sua relação com os detalhes do potencial de confinamento.Estas características permitiram inferir o tempo de relaxação T 1 .A medida da polarização resolvida no tempo foi realizada através de espectroscopia óptica de bombeio-prova.Os pulsos de luz e o campo magnético transverso permitem que uma polarização líquida seja inicializada.A rotação de Kerr permitiu observar oscilações desta polarização em torno do campo magnético com freqüência determinada pelo fator g.A perda da coerência de fase do spin resulta no decaimento destas oscilações numa escala de tempo T 2 .Medidas realizadas num ensemble de spins implicam em que o tempo de decoerência encontra-se limitado pela escala de defasagem T * 2 < T 2 .Uma técnica semelhante à refocalização por spin-eco em experimentos de ressonância magnética nuclear, foi aplicada utilizando pulsos de laser para reverter a defasagem do ensemble.Tanto a possibilidade de medir o sinal de eco como o tempo de decoerência foram medidos como função da temperatura.A estrutura de níveis de exciton e a sua distribuição no ensemble foi esvii viii tudada também com espectroscopia de bombeio-prova.Foram observados batimentos quânticos entre os níveis de estrutura fina do exciton para sistemas 0D e 2D limitados pelo tempo de recombinação.
Nesta tese, realizamos experiências relacionadas com o armazenamento de informação óptica em um ensemble de átomos frios de césio. A configuração experimental utilizada foi semelhante à de mistura de quatro ondas degenerada resolvida no tempo, usando a geometria conhecida como conjugação de fase óptica. Investigamos, tanto teórica quanto experimentalmente, diversos efeitos coerentes e mostramos explicitamente o armazenamento de uma grade de coerência entre os subníveis Zeeman pertencentes a um nível hiperfino do estado fundamental do césio. Analisamos o comportamento da energia dos pulsos gerados em função das intensidades dos campos envolvidos e observamos diferentes comportamentos de saturação. Em outro experimento, estudamos as correlações de energia entre diferentes modos temporais e espaciais gerados coerentemente pelo meio, o qual permitiu observar que os efeitos de emissão espontânea são predominantes quando cada transição do sistema é acessada com mesma intensidade de leitura. As larguras temporais dos modos envolvidos no processo mostraram ser invariantes quando a intensidade total de leitura se mantém constante. Realizamos também, usando um campo magnético externo, uma investigação sobre a evolução coerente do estado armazenado. Medimos a evolução temporal do sinal difratado em duas condições experimentais distintas: com o campo magnético externo aplicado paralelo e perpendicularmente à direção de propagação dos campos ópticos. Em ambos os casos, observamos uma série de collapses and revivals que estão intimamente relacionados com a precessão de Larmor da grade Zeeman armazenada em torno do campo magnético aplicado externamente. Finalmente, realizamos experiências envolvendo modos do campo eletromagnético que possuem momentum angular orbital (MAO). Demonstramos o armazenamento de estados de MAO e de suas superposições coerentes, bem como sua manipulação com campos magnéticos externos. Mostraremos que o MAO óptico pode ser armazenado, manipulado e recuperado coerentemente a partir do sistema atômico.
A existência de Correlações Quânticas de Caráter Geral (CQCGs) - discórdia e coerência quântica, baseadas em argumentos entrópicos e geométricos, tem sido extensamente investigada e caracterizada nas últimas décadas. Estudar o efeito dinâmico da decoerência sobre estas medidas é um ponto chave em teoria de informação quântica, já que fenômenos de mudança súbita (sudden-change) e congelamento (freezing) na dinâmica das CQCGs podem ser úteis na exploração destes recursos. Do ponto de vista experimental, spins nucleares se apresentam como excelentes candidatos para testar fenômenos relacionados às CQCGs, tendo em vista a sua fácil manipulação através do método de Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Além disso, neste contexto, os spin nucleares estão naturalmente sujeitos a ambientes bem caracterizados pelos canais de atenuação de fase (PD) e atenuação de amplitude generalizada (GAD). A proposta deste trabalho consiste em, a partir de uma revisão teórica dos desenvolvimentos na área de caracterização da decoerência das CQCGs, fornecer provas experimentais destas previsões empregando-se o método de RMN. O foco do trabalho se baseia em estados Bell diagonais (sistemas de 2 q-bits), ou, para casos mais gerais, em estados MN3 . Primeiramente, investigamos o fenômeno de duplo sudden-change em dois sistemas distintos de 2 q-bits, mas cada um sujeito ao efeito de um dos canais de atenuação: PD ou GAD. Estes sistemas permitiram a observação do aparecimento da base ponteiro quando o canal PD atua sobre o sistema. Em segundo lugar, as condições para o aparecimento do fenômeno de freezing são investigadas para sistemas contendo 2, 3 e 4 q-bits, todos associados à spins nucleares distintos e sujeitos a canais de PD independentes. O fenômeno de freezing foi observado nos casos de sistemas com número par de q-bits. Para medidas de dicórdia quântica, o freezing permanece constante por um período de tempo determinado pelas características do estado inicial, já para medidas de coerência, o freezing se mantém por tempo indeterminado. Todos estes resultados estão de acordo com as previsões teóricas encontradas na literatura. Com o objetivo de generalizar estes resultados, demonstramos ainda que estados Bell diagonais fornecem um limite inferior para a coerência presente em estados mais gerais.
Por meio da espectroscopia de ruído, estudamos a correlação entre dois feixes de luz com polarizações circulares opostas, acoplando a transição 5S1/2 F=2 à 5P3/2 F1=2 em configuração de Transparência Eletromagneticamente Induzida (EIT sigla em inglês) com átomos frios de Rubídio 85. Observamos a mudança de correlação para anti-correlação entre os feixes de prova e controle fora da ressonância, conforme aumentamos a sua potência. Esta transição é uma consequência da competição que existe entre a absorção de um fóton no sistema , responsável pelo regime de correlação, e as transições Stokes e Anti-Stokes que produzem a anti-correlação dos feixes. A partir dos espectros do sinal médio da intensidade e da correlação de ruído observamos, nesta última, que o pico de EIT é livre de alargamento por potência, o que possibilita que a medida do tempo de coerência entre os níveis fundamentais na condição de EIT seja mais precisa. Usando o modelo de Difusão de Fase para campos em EIT em configuração, observamos que os espectros teóricos de correlação estão de acordo com os dados experimentais. Isto mostra que esta teoria modela um sistema que envolve níveis hipefinos com degenerescência, através de um sistema simples de 3 níveis. O modelo também prevê o não alargamento do pico de correlação e mostramos ser esta uma medida mais fina de caracterização da largura de linha em comparação ao sinal médio da intensidade.
Estudamos efeitos ópticos não-lineares em vapores alcalinos, quando níveis de Rydberg estão envolvidos como estados intermediários, quase ressonantes, em processos como: mistura de quatro ondas (MQO), absorção de dois fótons, geração de soma (SF) e diferença de freqüência (DF). Analisamos um processo de MQO, com transições de dois fótons envolvendo níveis de Rydberg do átomo de rubídio, e observamos franjas de interferência no sinal não linear. Neste estudo, mostramos que é possível ter um controle coerente sobre os múltiplos caminhos quânticos acessíveis ao sistema atômico, explorando a dependência do sinal não linear com a polarização dos feixes incidentes. Medimos a visibilidade das franjas observadas e obtivemos valores de 100% para o contraste da interferência, na ressonância de dois fótons com um nível de Rydberg. Os resultados experimentais apresentam um bom acordo com cálculos teóricos, baseados no formalismo da matriz densidade aplicado a um sistema atômico de quatro níveis. A distribuição de população para um átomo de quatro níveis foi calculada no regime estacionário, resolvendo as equações da matriz densidade em ordens superiores nos campos incidentes. Mostramos que uma interferência entre os caminhos quânticos de excitação de um estado atômico pode levar ao cancelamento ou ao aumento da população desse nível, dependendo das polarizações dos lasers incidentes. Estudamos também efeitos transientes, resolvendo a equação de Schrödinger dependente do tempo para um sistema de três níveis na configuração V, e previmos a ocorrência de oscilações de Rabi de dois fótons, e batimentos quânticos nas populações do sistema atômico. Finalmente, medimos pela primeira vez a geração da DF em uma amostra de rubídio em alta densidade, através de um processo proibido por dipolo elétrico, envolvendo níveis de Rydberg. Utilizando o modelo do campo elétrico estático, induzido por fotoionização, como um mecanismo de quebra de simetria, desenvolvemos cálculos teóricos que permitiram prever a forma espacial do sinal não linear gerado, e comparar com os resultados existentes na literatura para a geração de segundo harmônico em vapores atômicos
Nesta dissertação apresentamos um estudo dos mecanismos de decoerência de sistemas quânticos de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) e os seus efeitos sobre a evolução temporal das medidas de correlação não-clássica. Para tal, apresentaremos inicialmente uma revisão bibliográfica sobre alguns dos diversos quantificadores de discórdia quântica, tais como discórdia entrópica, geométrica e negatividade do caráter quântico. Para descrever os canais de atenuação de fase e de amplitude generalizada, que descrevem a relaxação de sistemas de RMN, utilizamos o formalismo de operações quânticas, através da descrição dos operadores de Kraus. As implementações experimentais foram realizadas a partir de sistemas de 2 q-bits descritos por sistemas de RMN de 2 spins 1/2 acoplados via acoplamento J e sistemas de spins 3/2 sujeitos ao acoplamento quadrupolar. Experimentalmente, observamos o surgimento do fenômeno de congelamento (freezing) da discórdia quântica para o sistema de 2 spins 1/2 e o fenômeno de duplo sudden-change em um sistema de spin 3/2. Além disso, propuzemos um método de medida direta para os elementos da matriz densidade de um sistema de 2 spins 1/2 acoplados via acoplamento J, que permite obter toda a informação necessária para o cálculo dos quantificadores de discórdia sem que seja preciso reconstruir completamente a matriz densidade, ou seja, sem empregar o dispendioso método de tomografia de estado quântico (TEQ).
Estudamos processos ópticos não lineares usando mistura de quatro ondas(MQO) com conjugação de fase em átomos frios de césio, obtidos numa armadilha magneto-óptica. Foram estudados a geração de feixes coerentes com momento angular orbital, processos de mistura de quatro ondas não degenerada num sistema de três níveis degenerado e o efeito de transferência de uma grade de coerência por emissão espontânea. Na geração de feixes com momento angular orbital foi usada a difração de Bragg numa grade de coerência, contendo a informação espacial de fase dos campos, induzida nos sub-níveis Zeeman de um sistema de dois níveis degenerado e foi demonstrada a conservação do momento angular orbital da luz dentro dos modos articipantes neste processo paramétrico. Esta demonstração constitui um primeiro passo na direção de se armazenar informação quântica codificada num espaço de estados multidimensional. Na MQO não degenerada ´e observado um duplo pico de largura sub-natural, o qual evidencia que esta estrutura esta associada a um desdobramento do nível fundamental induzido por feixes de bombeio fortes. ´E apresentado um modelo simples resolvendo as equações para a matriz densidade num sistema duplo-_, o qual explica qualitativamente a forma dos espectros observados. Na observação da transferência de coerência, nós reportamos a observação da transferência de uma grade de coerência entre diferentes pares de sub-níveis Zeeman pertencentes a diferentes estados hiperfinos. Foi usada a difração de Bragg como assinatura do mecanismo de transferência, cujo espectro com largura sub-natural e dependência com a polarização dos feixes incidentes, revelam a existência de uma coerência transferida para o estado fundamental. Apresentamos um modelo baseado no formalismo tensorial da matriz densidade para descrever a interação entre a luz e dois sistemas de dois níveis degenerados acoplados pela emissão espontânea. Tal modelo reproduz satisfatoriamente os espectros observados. A possibilidade de transferir uma coerência atômica de vida curta para outra de tempo de vida longo ´e de muita importância no campo do processamento quântico da informação