En este trabajo se presenta el diseño y caracterización de una fuente de fotones entrelazados generados en formade pulsos de nanosegundos bien separados, de interés para muchas aplicaciones de investigación básica yaplicada. Los pares de fotones se crean por fluorescencia paramétrica en cristales no lineales BBO tipo Ibombeados con un láser pulsado Q-switch en 355 nm. Este láser permite producir pares de fotones en el pico deeficiencia de los fotodiodos de silicio, alrededor de 710 nm. Este trabajo incluye el reporte de la medición de lavariación temporal del parámetro SCHSH y de la Concurrencia alcanzando valores promedios de SCHSH = (2.60 ±0.01) y C = (0.84 ± 0.06). En todos los casos las coincidencias se determinaron una vez finalizado el experimentoen base a las mediciones de los tiempos de detección de cada fotón (time stamping).Palabras clave: fotones en estados entrelazados, fluorescencia paramétrica, desigualdades de Bell.The design and characterization of a pulsed source of correlated photons is presented. Polarization-entangledpairs of photons are generated using the process of spontaneous parametric down-conversion in a two-BBO-Icrystal geometry. The crystals are pumped with a ns-pulse Q-switched laser at 355 nm wavelength. The correlatedphoton pairs are therefore produced in the peak photon detection efficiency of silicon avalanche photodiodes(710 nm). We report the time-resolved measurement of the SCHSH parameter and the quantum Concurrence. Theaveraged values obtained for this source are SCHSH = (2.64 ± 0.01) and C = (0.84 ± 0.06). We record the time ofthe detection of each single photon (time-stamping) and in all the tests the number of coincidences aredetermined after the experiment has ended.Keywords: photon entangled states, spontaneous parametric down-conversion, Bell’s inequalities.
En este trabajo se presenta el diseño y caracterización de una fuente de fotones entrelazados generados en formade pulsos de nanosegundos bien separados, de interés para muchas aplicaciones de investigación básica yaplicada. Los pares de fotones se crean por fluorescencia paramétrica en cristales no lineales BBO tipo Ibombeados con un láser pulsado Q-switch en 355 nm. Este láser permite producir pares de fotones en el pico deeficiencia de los fotodiodos de silicio, alrededor de 710 nm. Este trabajo incluye el reporte de la medición de lavariación temporal del parámetro SCHSH y de la Concurrencia alcanzando valores promedios de SCHSH = (2.60 ±0.01) y C = (0.84 ± 0.06). En todos los casos las coincidencias se determinaron una vez finalizado el experimentoen base a las mediciones de los tiempos de detección de cada fotón (time stamping).Palabras clave: fotones en estados entrelazados, fluorescencia paramétrica, desigualdades de Bell.The design and characterization of a pulsed source of correlated photons is presented. Polarization-entangledpairs of photons are generated using the process of spontaneous parametric down-conversion in a two-BBO-Icrystal geometry. The crystals are pumped with a ns-pulse Q-switched laser at 355 nm wavelength. The correlatedphoton pairs are therefore produced in the peak photon detection efficiency of silicon avalanche photodiodes(710 nm). We report the time-resolved measurement of the SCHSH parameter and the quantum Concurrence. Theaveraged values obtained for this source are SCHSH = (2.64 ± 0.01) and C = (0.84 ± 0.06). We record the time ofthe detection of each single photon (time-stamping) and in all the tests the number of coincidences aredetermined after the experiment has ended.Keywords: photon entangled states, spontaneous parametric down-conversion, Bell’s inequalities.
En este trabajo se presenta el diseño y caracterización de una fuente de fotones entrelazados generados en formade pulsos de nanosegundos bien separados, de interés para muchas aplicaciones de investigación básica yaplicada. Los pares de fotones se crean por fluorescencia paramétrica en cristales no lineales BBO tipo Ibombeados con un láser pulsado Q-switch en 355 nm. Este láser permite producir pares de fotones en el pico deeficiencia de los fotodiodos de silicio, alrededor de 710 nm. Este trabajo incluye el reporte de la medición de lavariación temporal del parámetro SCHSH y de la Concurrencia alcanzando valores promedios de SCHSH = (2.60 ±0.01) y C = (0.84 ± 0.06). En todos los casos las coincidencias se determinaron una vez finalizado el experimentoen base a las mediciones de los tiempos de detección de cada fotón (time stamping).
En esta Tesis se realizaron experimentos originales dirigidos a responder preguntas pendientesen el área de la fundamentación de la mecánica cuántica. En particular, se presentael primer estudio experimental de teorías realistas locales no ergódicas que aprovechan elcoincidence-loophole y/o efectos de memoria. En los tests realizados se estudiaron los distintosmecanismos que permiten generar una coincidencia, en los que se sustentan estas teoríaspara reproducir, a través de mecanismos clásicos, las predicciones de la mecánica cuántica. Para la realización de estos tests se emplearon pares de fotones entrelazados en polarización generados por fluorescencia paramétrica y se registraron los tiempos de detección decada fotón (time-stamping). Es importante destacar que en todos los tests las coincidenciasse determinaron una vez finalizado el experimento, variando a voluntad la ventana de coincidencias. En la primera parte de esta Tesis se armó una fuente continua de pares de fotones entrelazadosen polarización y se refutó un modelo de realismo local simple que se sustenta en elcoincidence-loophole. En la segunda parte se empleó una fuente pulsada de fotones correlacionados producidosen forma de pulsos de nanosegundos. Este es el primer experimento realizado con estas características en el ámbito internacional. Para la realización de este experimento se construyó unláser de estado totalmente sólido de Nd:YVO4 triplicado en frecuencia con un diseño originalque emite pulsos con una duración de nanosegundos con una repetición de hasta 100 kHz. Empleando este láser se realizó, además, el primer estudio experimental de las coincidenciasaccidentales en el régimen pulsado usando la técnica de time-stamping. Para efectuar los diferentestests también fue necesario registrar los tiempos de detección de todos los pulsos debombeo, los que permiten establecer el intervalo de tiempo en el que se espera encontrar unpar de fotones. Los resultados obtenidos en esta segunda etapa tampoco mostraron ninguna evidencia delcoincidence-loophole o de efectos relacionados, refutando o, al menos, imponiendo nuevas ymuy severas restricciones, a esta clase de teorías.
Se presenta un estudio teórico y experimental de las parejas de fotones entrelazados producidos por emisión espontánea paramétrica descendente en un cristal de KTP periódicamente polarizado. El estado cuántico de la luz espontánea paramétrica descendente es derivado a partir de principios fundamentales y la tasa de detección de pares es calculada rigurosamente. La condición de cuasi empatamiento de fases es utilizada para diseñar experimentos de detección de pares los cuales emplean módulos contadores de fotones individuales y lógica de detección de coincidencias. Los resultados teóricos son comparados con observaciones experimentales de la tasa de pares como función del ángulo polar del camino óptico seguido por los fotnoes llamados señal y como función de la temperatura del cristal, obteniendo un buen acuerdo. Adicionalmente, se estudia la dependencia de las tasas de pares como función de los tamaños de las aperturas detectadas. Se presentan algunas aplicaciones de pares de fotones como son la caracterización de la respuesta temporal de los detectores, la determinación de los ángulos de empatamiento de fases en función de la temperatura del cristal, y finalmente se evalúo la homogeneidad del patrón de polarizaición periódico del cristal no-lineal. También se presentan resultados con el láser en un modo de operación con dos frecuencias. Dichos resultados son sorprendentemente distintos a los resultados obtenidos con una sola frecuencia.
En este trabajo se presenta una fuente de pares de fotones entrelazados en polarización, generados a partir de la fluorescencia paramétrica en un cristal BBO cortado para phase matching tipo II no colineal, bombeado por un láser semiconductor violeta (λ=404 nm), de 40 mW de potencia media. Utilizando filtros interferenciales y seleccionando espacialmente la intersección de los conos de luz de los fotones signal e idler, se obtienen pares de fotones entrelazados en polarización, representados aproximadamente por el estado ψ . Se caracterizó la fuente midiendo la versión CHSH de la desigualdad de Bell, obteniéndose una violación de la misma por veintidós desviaciones estándar.
Tanto para el estudio de efectos cuánticos fundamentales, como para múltiples aplicaciones basadas en la teoría cuántica, es necesario generar estados entrelazados entre dos o más sistemas en distintos grados de libertad. En este trabajo, se lleva a cabo el estudio y ajuste de una fuente de fotones entrelazados en polarización; producidos mediante SPDC en un cristal no lineal ppKTP de tipo II con una longitud de 30mm, en una configuración experimental de tipo interferómetro de Sagnac. Este diseño permite generar el entrelazamiento entre los fotones debido a la indistinguibilidad de caminos recorridos. Se obtiene como resultado una fuente brillante de fotones al generar 8.2 × 104pares/(s · mW) en el estado de Bell con una visibilidad en la base D/A por encima del 98 % y en la base H/V por encima del 99 %. Con un parámetro de violación de la desigualdad CHSH S de 2.77. En el trabajo se describe como se realizó la optimización de la fuente, se detallan las técnicas de alineación para el correcto ajuste de la fuente. Por otra parte, con el fin de realizar una caracterización del estado entrelazado producido, se estudió un interferómetro tipo Franson para identificar estados de Bell compuesto por un PBS y un BS. Este diseño, permite la identificación de los cuatro estados de Bell al variar la longitud de un brazo del interferómetro e identificar la forma espectral de los pares de fotones incidentes.
En esta Tesis se presentan los resultados de implementaciones ópticas de algoritmoscuánticos, orientadas a protocolos de comunicación y procesamiento cuántico de la información. En particular, se estudiaron algoritmos cuánticos basados en entrelazamiento y se analizó la interacción del sistema cuántico en cuestión con distintos entornos ruidosos. Estas investigaciones se realizaron en forma mixta, tanto experimental como teórica, contemplando etapas de interacción del sistema con entornos controlados. Se realizaron experimentos de teleportación cuántica y distribución cuántica de claves (QKD), con el propósito de ganar experiencia en la manipulación y control de sistemas cuánticos. A partir de estos experimentos, se demostraron algoritmos eficientes y robustos ante entornos ruidosos que generan decoherencia en el recurso entrelazado. Para llevar a cabo estos experimentos, se desarrolló una fuente de pares de fotones entrelazados en polarización, basada en el proceso de conversión paramétrica descendente. La utilización de fotones como recurso físico permite la codificación de qubits en diversos grados de libertad de los mismos. En los experimentos realizados en esta Tesis, a partir de un único fotón se codificaron dos qubits en los grados de libertad de polarización y momento lineal del mismo. Para representar la interacción del sistema con un entorno local, se utilizaron los dos grados de libertad de polarización y camino para representar el sistema y el entorno, respectivamente. Estas interacciones se producen en arreglos experimentalesbasados en óptica lineal. Los arreglos experimentales diseñados e implementados permitieron un estudio versátil de los distintos protocolos propuestos, y un control sistemático de los entornos. Se estudiaron las condiciones para las cuales la dinámica del sistema era robusta frente al ruido y la acción del mismo sobre el desempeño de estos protocolos. En particular se realizó un estudio de la eficiencia del protocolo de teleportación bajo distintos tipos e intensidades de interacción con un entorno, pudiendo obtener condiciones para las cuales el sistema presenta baja sensibilidad a ciertos tipos de ruido. Asimismo, para el caso de distribución cuántica de claves, la interacción del sistema con el entorno nos permitiómodelar la acción de un espía y estudiar la seguridad de protocolos de QKD. La evolución de los sistemas cuánticos inducida por la interacción con entornos locales genera decoherecia, afectando el grado de entrelazamiento inicial y su utilización como recurso cuántico. Se estudiaron entonces distintas condiciones de ruido cuántico y su efecto sobre el entrelazamiento de un sistema, obteniendo una relación entre la "muerte del entrelazamiento" y canales efectivos capaces de romper completamente el entrelazamiento, para sistemas de dos qubits. Estos resultados permitieron anticipar qué estados pueden sufrir muerte del entrelazamiento o no para una dada evolución. Conocer de antemano el estado inicial y/o el canal cuántico que afecta el recurso entrelazado permite elegir demanera óptima los parámetros necesarios para un procesamiento cuántico eficiente de la información. La base de todos los experimentos realizados es una fuente de pares de fotones entrelazados y un arreglo óptico confiable y versátil basado en óptica lineal. El control sobre los estados fotónicos generados se realiza interferométricamente y en polarización. El dominio de estas técnicas de control de estados cuánticos es un resultado en sí mismo y el arreglo experimental desarrollado se presenta como una plataforma robusta para el estudio de la dinámica de procesos cuánticos. A modo de síntesis, entendemos que en el desarrollo de esta Tesis de Doctorado secumplieron los dos objetivos propuestos: por un lado estudiar la influencia de procesos de decoherencia e interacción con entornos en la eficiencia de algoritmos de información cuántica y por otro desarrollar herramientas ópticas para el estudio e implementación eficiente de estos algoritmos.