[ES]Hoy en día las herramientas de la ciencia de attosegundos han abierto nuevas vías para acceder al movimiento electrónico ultra-rápido en la materia con resoluciones temporales y espaciales por primera vez observadas. La presente tesis está dedicada al estudio de cómo recuperar información estructural y dinámica asociada a los electrones en átomos y moléculas. Nuestro primer propósito consiste en aplicar algunos esquemas usados en Óptica para reconstruir la amplitud y la fase de pulsos láseres ultra-rápidos pero ahora aplicados a ondas de materia. Mediante el uso de los conceptos de la attosecond streak camera, demostramos que la aplicación de dos pulsos de attosegundos en presencia de un pulso láser de infrarrojo y con intensidad moderada, conduce a la emisión de dos paquetes de ondas de electrones (EWP). El interferograma resultante contiene información completa acerca de la diferencia de fase entre los dos eventos de ionización. Conceptualmente, tal esquema de ionización es equivalente a la técnica de caracterización en Óptica denominada Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction (SPIDER). De manera semejante a la seguida en Óptica, aplicamos el algoritmo SPIDER, pero en nuestro caso con el propósito de recuperar información estructural de sistemas atómicos. Dicha información está codificada en el elemento de transición dipolar complejo entre los estados ligados y los del continuo. Ésta información puede ser obtenida a partir del interferograma final de paquetes de ondas electrónicos y mediante el conocimiento previo de las características del láser. Por otro lado, el retado en la foto-emisión o tiempo de Wigner es una cantidad fundamental relacionada con la dinámica de un EWP cuando éste es ionizado mediante un pulso de attosegundos. La técnica attosecond streaking ha demostrado ser una de las herramientas adecuada para extraer el retardo en el proceso de foto-emisión. Sin embargo, y debido al acoplamiento entre el potencial de Coulomb y el láser (CLC), la información del tiempo de Wigner se observa mezclada en el proceso de medición. Como segundo propósito, en ésta tesis nosotros presentamos un método alternativo para remover el CLC en el proceso de medición del tiempo de Wigner. Con tal fin, usamos una molécula asimétrica tal como el CO. Mediante la medición de dos trazas streaking, una a la izquierda y otra a la derecha con respecto al eje de orientación molecular, el retardo temporal asimétrico izquiera-derecha es extraído. Con ello, demostramos que ésta simple asimetría en la medición de los retardos remueve completamente el llamado CLC. Simultáneamente, nuestros cálculos numéricos sugieren que la asimetría en el tiempo de Wigner es comparable al retardo relativo izquierda-derecha obtenido con el método streaking.
[ES]Hoy en día las herramientas de la ciencia de attosegundos han abierto nuevas vías para acceder al movimiento electrónico ultra-rápido en la materia con resoluciones temporales y espaciales por primera vez observadas. La presente tesis está dedicada al estudio de cómo recuperar información estructural y dinámica asociada a los electrones en átomos y moléculas. Nuestro primer propósito consiste en aplicar algunos esquemas usados en Óptica para reconstruir la amplitud y la fase de pulsos láseres ultra-rápidos pero ahora aplicados a ondas de materia. Mediante el uso de los conceptos de la attosecond streak camera, demostramos que la aplicación de dos pulsos de attosegundos en presencia de un pulso láser de infrarrojo y con intensidad moderada, conduce a la emisión de dos paquetes de ondas de electrones (EWP). El interferograma resultante contiene información completa acerca de la diferencia de fase entre los dos eventos de ionización. Conceptualmente, tal esquema de ionización es equivalente a la técnica de caracterización en Óptica denominada Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction (SPIDER). De manera semejante a la seguida en Óptica, aplicamos el algoritmo SPIDER, pero en nuestro caso con el propósito de recuperar información estructural de sistemas atómicos. Dicha información está codificada en el elemento de transición dipolar complejo entre los estados ligados y los del continuo. Ésta información puede ser obtenida a partir del interferograma final de paquetes de ondas electrónicos y mediante el conocimiento previo de las características del láser. Por otro lado, el retado en la foto-emisión o tiempo de Wigner es una cantidad fundamental relacionada con la dinámica de un EWP cuando éste es ionizado mediante un pulso de attosegundos. La técnica attosecond streaking ha demostrado ser una de las herramientas adecuada para extraer el retardo en el proceso de foto-emisión. Sin embargo, y debido al acoplamiento entre el potencial de Coulomb y el láser (CLC), la información del tiempo de Wigner se observa mezclada en el proceso de medición. Como segundo propósito, en ésta tesis nosotros presentamos un método alternativo para remover el CLC en el proceso de medición del tiempo de Wigner. Con tal fin, usamos una molécula asimétrica tal como el CO. Mediante la medición de dos trazas streaking, una a la izquierda y otra a la derecha con respecto al eje de orientación molecular, el retardo temporal asimétrico izquiera-derecha es extraído. Con ello, demostramos que ésta simple asimetría en la medición de los retardos remueve completamente el llamado CLC. Simultáneamente, nuestros cálculos numéricos sugieren que la asimetría en el tiempo de Wigner es comparable al retardo relativo izquierda-derecha obtenido con el método streaking.
El estudio de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos es un area de investigacion activa. Este tipo de sistema permite fundamental estudios sobre la medicion en el contexto de las variables continuas, en entrelazamiento colectiva y en las simulaciones cuanticas. Este campo de la investigacion tambien es interesante en el contexto de la metrologia cuantica, comunicacion cuantica y la computacion cuantica. En esta tesis dos aspectos complementarios de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos han sido estudiados con iones atrapados y atomos neutros frios. El experimento de iones atrapados pretende evaluar la posibilidad de utilizar grandes nubes de iones para la realizacion de una memoria cuantica con largo tiempo de coherencia. En vez de que el experimento de atomos frios se centro en el uso de medidas de no demolicion cuantica para evaluar estados no gaussianos. Este experimento es parecido a los experimentos de comunicacion cuantica que se desarrollan actualmente. Los iones atrapados enfriados por laser pueden llegar a una fase cristalina debido a la fuerte repulsion de Coulomb entre los iones. En esta fase, las relativas posiciones entre los iones se fijan de manera a evitar las colisiones y los iones que exploran inhomogeneidades del campo magnetico que puede ser una fuente de perdida de coherencia. Con bajo numero de iones, largos tiempos de coherencia han sido demostrados. Con iones numerosos, el mecanismo de captura puede inducir un calentamiento de la nube de iones, haciendo asi mas dificil de obtener el regimen cristalizado. Durante esta tesis, los cristales de Coulomb grandes que contiene mas de 106 iones se han obtenidos y la prueba de la transparencia inducida electromagneticamente en tal sistema ha sido obtenida. Este estudio tambien revelo las limitaciones de este tipo de sistemas que tienen que ser estudiado mas a fondo para obtener una fuerte probabilidad de interaccion con conjuntos de iones frios en un regimen permitiendo largos tiempos de coherencia. Los sistemas de atomos neutros permiten fuertes probabilidades de acoplamiento luz materia, pero generalmente reduce los tiempos de coherencia. Memorias cuanticas, el entrelazamiento entre atomos y la luz, magnetometria de alta precision han sido demostrados en experimentos relacionados con vapores atomicos neutros. El sistema utilizado en esta tesis se ha disenado para permitir que la probabilidad de acoplamiento luz materia sea importante, con pulsos de luz polarizada, lo que permite medir con precision el estado de espin del sistema atomico sin destruccion y con bajo ruido. La medicion del ruido del sistema es mas baja que el ruido atomico, lo que podria inducir el entrelazamiento colectivo de los espines atomicos (a traves del squeezing de espines inducido por la medicion) y mediciones de campo magnetico ultra sensibles. Este sistema esta estrechamente relacionado con sistemas disenados para la creacion de comunicacion cuantica y memorias cuanticas. Los estados atomicos no gaussianos constituyen un recurso para la computacion cuantica y la comunicacion cuantica, en el contexto de los experimentos de fisica atomica, su deteccion puede ser dificil. El trabajo presentado en esta tesis se centra en la deteccion de los estados no gaussianos en conjuntos atomicos utilizando cumulants, y en particular el ruido relacionado con la medicion de los cumulants.
La presente tesis se enmarca dentro de los campos de la Optica Cuantica y la Optica Atomica, mas especificamente en el area de atomos frios y su control y manipulacion mediante laseres. En estas ultimas decadas, estos campos han experimentado un enorme desarrollo, debido principalmente a las nuevas tecnicas que permiten el control y manipulacion de atomos. Estas tecnicas han abierto el campo de las interacciones luz - materia a estudios sobre nuevos efectos y nuevos estados de la materia como el condensado Bose-Einstein o el gas de Tonks-Girardeau.
Esta tesis esta dividida en tres partes. La primera parte estudia iones atrapados y su interaccion con laseres. Los iones quedan atrapados mediante diferentes combinaciones de campos electromagneticos, y pueden ser manipulados y controlados individualmente mediante laseres. En esta primera parte se presenta una generalizacion del concepto de sideband transitions o transiciones de banda lateral, valida para laseres de intensidad y desintonia arbitrarios. Tambien en esta primera parte de la Tesis se estudian los diferentes corrimientos de frecuencia observados en el espectro energetico de un ion atrapado iluminado con un laser.
La segunda parte esta dedicada a mostrar efectos interesantes que se producen en interferometria atomica debido al movimiento cuantico. El uso de atomos en interferometria en lugar de fotones presenta algunas ventajas. Los atomos interaccionan fuertemente con campos electromagneticos debido a su estructura interna, de forma que pueden ser manipulados y controlados de forma muy precisa. Ademas, el hecho de tener masa no nula, permite el estudio de fuerzas gravitacionales. Los efectos debidos al movimiento cuantico se estudian en un interferometro atomico de Mach-Zender, y tambien se estudia la interferometria Ramsey, mostrando que las franjas de interferencia se pueden hacer mas estrechas si los dos campos tienen frecuencias distintas y se controla su diferencia de fase.
Finalmente, la tercera parte trata algunos aspectos novedosos del Efecto Zeno Cuantico. Se comparan medidas pulsadas y continuas en un sistema optico-quantico simple, generalizando resultados anteriores.
En el ultimo capitulo de esta fase se exploran diferentes formas de controlar y manipular el decaimiento exponencial inducido por mediciones frecuentes en sistemas optico-quantico simples. Se examinan la influencia de diferentes factores como la influencia del estado inicial del atomo o el efecto de los terminos contr-rotantes cuando no se aplica la Aproximacion de Onda Rotante o Rotating Wave Approximation (RWA). En particular, a pesar de que los efectos Zeno y anti-Zeno cuanticos estan asociados a dependencias cuadraticas de la probabilidad de supervivencia, se encuentra un efecto anti-Zeno para dependencias lineales de la misma escogiendo adecuadamente el estado inicial y los parametros del laser.
El proyecto de investigacion realizado en esta tesis se enmarca dentro del campo de la optica cuantica, y su objetivo principal ha sido el estudio de los efectos que se producen debido a la interaccion entre un atomo ultrafio de dos niveles en movimiento y un campo laser localizado en cierta region del espacio.
Uno de los efectos encontrados es la supresion de las oscilaciones de Rabi cuando el atomo entra en la region iluminada por el laser, que depende de la velocidad de incidencia del atomo en dicha region y constituye un metodo de seleccion de estados: independientemente del estado de incidencia, el estado final puede ser seleccionado variando parametros del laser tales como la intensidad y el desintonizado. Se ha estudiado la analogia optica de este efecto de supresion en terminos de la actividad optica y de la polarizacion de la luz en interaccion con un medio opticamente activo.
Para modelar la interaccion fisica entre el atomo y el laser, hemos obtenido un potencial complejo exacto, no local y dependiente de la energia, que en cierto limite puede aproximarse por un potencial local y dependiente de la energia, que en cierto limite puede aproximarse por un potencial local e independiente de la energia, lo que a su vez justifica el uso de este tipo de potenciales en los modelos de medida de tiempos, en particular en medidas de tiempos de llegada de particulas sujetas a potenciales externos.
Finalmente, usando el potencial complejo hemos propuestos dos metodos de deteccion perfecta de atomos ultrafrios y hemos comparado dicho potencial con otros potenciales absorbentes perfectos basados en argumentos semiclasicos.
Debido al caracter dual que presenta la materia, esta se puede comportar como un corpusculo o una onda, lo cual permite que bajo una serie de condiciones el caracter dominante sea el ondulatorio y la materia se comporte como una onda, onda de materia. Aqui radica la base de la Optica Atomica en la que luz y materia intercambian sus papeles. A diferencia de la Optica Clasica en la que la luz es el objeto propagante y la materia es empleada para guiar los haces luminicos, en la Optica Atomica la luz se emplea para modificar el estado interno de los atomos (materia) que son el objeto propagante. Gracias a la estructura interna que poseen los atomos se ganan nuevos grados de libertad internos respecto a la Optica Clasica, ofreciendo asi nuevas posibilidades. De esta forma los atomos no solo se pueden propagar, tambien pueden ser almacenados en trampas opticas, enfriados a temperaturas ultrafrias dando lugar a nuevos estados de la materia, pueden ser controlados con una gran precision, ... La presente Tesis estudia la dinamica de las ondas de materia y en particular los denominados efectos transitorios cuanticos, caracteristicas temporales que presentan las ondas de materia antes de alcanzar un estado estacionario. Ademas se analizara la dinamica de las ondas de materia en guias de onda laser, proponiendose esta configuracion como diodo atomico (dispositivo que consigue que los atomos viajen en un unico sentido independientemente de su movimiento inicial) y como simulador de reacciones quimicas colineales de 3 cuerpos. Finalmente se propondran diversas tecnicas (atajos a la adiabaticidad) para una rapida manipulacion de las ondas de materia sin alterar sus propiedades cuanticas.
En este trabajo, se analiza una teoría que es en cierto modo una extensión natural del campo de las telecomunicaciones clásicas a la mecánica cuántica. Dicha teoría se llama tomografía cuántica y es de hecho una imagen de la mecánica cuántica equivalente a las más habituales que son la imagen de Schrödinger o la de Heisenberg. Esta nueva imagen, difiere de las precedentes en que está muy ligada a la capacidad tecnológica a la hora de medir observables (momento, energía, etc.) en el campo de la óptica cuántica, ya que su objetivo primordial es el de conseguir reconstruir el estado de un sistema cuántico a partir de mediciones en el laboratorio, y dado al avance tecnológico del instrumental de laboratorio disponible como láseres y fotodetectores, cada vez está suscitando mayor interés. En el primer capítulo, veremos cómo nace esta idea de reconstruir estados cuánticos discutiendo brevemente la técnica clásica conocida como Tomografía Axial Computerizada (TAC). Esta técnica está basada en los trabajos de Johann Karl August Radon aplicando la transformada que lleva su nombre. Introduciremos la transformada de Radon de una función de probabilidad definida en el espacio de fases para ver cómo se aplica en el caso del TAC. Para aplicar esta idea para la reconstrucción de estados cuánticos, veremos, en primer lugar, que existe una extensión natural de las técnicas de demodulación de señales moduladas en amplitud (AM) en el campo de la óptica cuántica mostrando que el papel que cumple un mezclador puede ser reemplazado por una combinación de divisores de haz y fotodetectores y mostraremos explícitamente cómo reconstruir el operador densidad que describe un estado cuántico a través de un proceso reminiscente de la transformada de Radon clásica. El segundo capítulo será el corazón de este trabajo. En él, introduciremos de manera formal la descripción tomográfica de la mecánica cuántica. Presentaremos una teoría general, para ello, trataremos a los observables como elementos de un álgebra C_ y los estados serán funcionales lineales positivos que actúen en dicha algebra. Veremos que esta descripción de la mecánica cuántica puede dividirse en dos partes, una primera con el objetivo de obtener una fórmula para reconstruir el estado de un sistema cuántico a partir de una función definida sobre un conjunto llamado conjunto tomográfico, que será un conjunto de observables que tendrá que cumplir una serie de condiciones que expondremos debidamente. A esta primera parte de la teoría, la bautizaremos como Teoría de muestreo generalizada en sistemas cuánticos. La segunda parte estará relacionada con la parte puramente experimental. Lo que hace necesario tener que añadir esta segunda parte es el hecho de que la función definida anteriormente sobre el conjunto tomográfico, que llamaremos función de muestreo, en general, no puede ser medida por medio de los dispositivos con los que contamos en un laboratorio de óptica cuántica, sin embargo, a partir de las mediciones hechas con un fotodetector, podemos obtener distribuciones de probabilidad de cantidades relacionadas con los observables. Entonces, tomando esto último como motivación, esta segunda parte de la teoría consistirá en relacionar esa función de muestreo con una distribución de probabilidad que llamaremos tomograma, que será el resultado directo de un proceso de medida en el laboratorio, y la llamaremos Transformada generalizada positiva por motivos que se expondrán convenientemente. Uno de los problemas más sutiles de esta teoría consiste en hallar un conjunto tomográfico que cumpla las condiciones necesarias para permitir reconstruir el estado a partir de él. Sin embargo, veremos que de manera natural, las representaciones unitarias irreducibles de un grupo finito o de Lie compacto proporcionan conjuntos tomográficos que cumplen las condiciones requeridas, por eso, nos centraremos en el estudio de la reconstrucción de estados a partir de grupos relacionados con el sistema físico dado. Aunque también destacaremos que existen otras representaciones unitarias que nos permiten reconstruir el estado cuántico a partir de ellas, como lo es la representación unitaria irreducible del grupo de Heisenberg Weyl dada por el álgebra de Lie que forman los operadores momento y posición cuánticos que es el ejemplo con el que nace la tomografía cuántica introducido en el primer capítulo. En el tercer capítulo presentaremos un algoritmo numérico que se deriva a partir de unos estados que llamaremos estados adaptados que habremos definido en el capítulo anterior. Este algoritmo nace como un problema inverso, ya que hasta entonces nos habremos centrado en reconstruir estados a partir de un conjunto tomográfico, en especial, cuando el conjunto tomográfico está definido a partir de una representación unitaria de un grupo. Este problema inverso consiste en determinar qué información es posible obtener de una representación unitaria de un grupo si se tiene una familia de estados que describe un sistema físico relacionado con un grupo de simetría. La respuesta a esta pregunta es muy satisfactoria ya que es posible conocer la matriz de transformación de base que nos permita transformar la base, en la que está descrita la representación unitaria, en una base adaptada a los subespacios invariantes bajo la acción de todos los elementos de la representación. Este problema se conoce como descomposición de Clebsh Gordan, ya que dicha transformación aplicada a la representación unitaria la convierte en una matriz diagonal por bloques en la que cada bloque corresponde a una representación unitaria irreducible. La manera en la que resolveremos este problema es con un algoritmo numérico que sólo requiere dos estados adaptados como argumentos de entrada, que pueden ser obtenidos de manera directa si se conoce de forma explícita la representación unitaria que queremos reducir. Este algoritmo lo hemos bautizado con el nombre de SMILY. Hay que destacar que como este algoritmo se ha generado sólo aplicando ciertas transformaciones unitarias sobre matrices que representan un estado cuántico, tiene una extensión natural que podría implementarse en un ordenador cuántico. Para acabar esta tesis, generalizaremos la descripción tomográfica a campos clásicos y cuánticos. Para el caso clásico, primero realizaremos una descripción tomográfico para sistemas con finitos grados de libertad y obtendremos el equivalente tomográfico de la ecuación de Liouville para una densidad de probabilidad y tras esto, haremos el mismo análisis para sistemas con infinitos grados de libertad. Para obtener la descripción tomográfica para campos cuánticos, partiremos del concepto de segunda cuantización y mostraremos el equivalente tomográfico de los axiomas de Wightman Streater para una teoría cuántica de campos. Y para terminar, obtendremos un teorema de reconstrucción para campos escalares y calcularemos el tomograma de ciertos estados de un campo cuántico escalar libre. Comentemos esto último diciendo que es el inicio de una teoría que permitirá una descripción tomográfica de estados, por ejemplo ligados, para teorías con interacción. Para concluir este resumen, quisiera resaltar que el lector especializado, si lo considera conveniente, puede comenzar a leer a partir del segundo capítulo, ya que aunque el primer capítulo sirve como motivación de porqué desarrollar una descripción tomográfica de la mecánica cuántica, el texto puede comprenderse si previamente no se ha leído.
Durante las últimas décadas se han logrado grandes avances en la manipulación desistemas físicos en la escala nano y subnanoscópica, donde la coherencia cuánticajuega un papel dominante. Algunos hitos registrados en los últimos años son lamanipulación óptica de partículas individuales en trampas de iones, la interaccióncontrolada de un solo electrón con fotones individuales en puntos cuánticos desilicio y la realización de bits cuánticos (qubits) con largos tiempos de coherencia en circuitos superconductores. Actualmente, la habilidad de diseñar la evolución de sistemas cuánticos con gran precisión está allanando el camino para una nueva revolución en las tecnologías cuánticas. En esta Tesis estudiamos desde el punto de vista teórico el problema de controlen sistemas cuánticos. Un aspecto central de este problema es que la presenciade disipación y decoherencia por lo general impide que el sistema sea manipuladoarbitrariamente. Cuando estos efectos no pueden ser eludidos, es esencial efectuarlos protocolos de control de la manera mas rápida posible. En este contexto,realizamos un estudio de los límites fundamentales que existen para la velocidadde evolución en sistemas cuánticos. Estos límites surgen de generalizaciones dela relación de incerteza entre tiempo y energía, que impone cotas inferiores a lostiempos de evolución. Estudiando el escenario general de un problema de control,donde los operadores Hamiltonianos dependen explícitamente del tiempo,mostramos que en general estas relaciones no proveen información útil que permitaacotar tiempos mínimos en estos problemas. A la luz de estos resultados,proponemos nuevos métodos que efectivamente pueden ser aplicados a cualquiersistema cuántico controlado y que permiten estimar cotas para dichos tiempos. Un ingrediente esencial de las aplicaciones modernas de la teoría de control son los métodos de optimización. En esta Tesis estudiamos e implementamos numéricamentemétodos de control óptimo para sistemas cuánticos en diversos modelos de interés. En particular, utilizamos dichas herramientas para buscar los tiempos mínimosde evolución en sistemas cuánticos que presentan múltiples cruces evitados en suespectro de energías. Para este tipo de modelos, en primer lugar proponemosy caracterizamos un método general para realizar tareas de control, que generaevoluciones con velocidad óptima en cada cruce. Luego, usando métodos de optimización mostramos que el tiempo de evolución puede disminuirse a medida que elnúmero de niveles del sistema aumenta. Finalmente, a partir de estudiar el efectode campos periódicos en estos sistemas, logramos identificar los mecanismos físicosque generan este fenómeno y proponer una solución analítica para el campo decontrol. Adicionalmente, estudiamos la relación entre la controlabilidad de un sistemacuántico y su complejidad. Usando control óptimo, obtuvimos los campos necesariospara generar distintos procesos en una cadena de spines y estudiamos sistemáticamente las propiedades de dichos campos como función de distintos aspectos que hacen a la complejidad del sistema. Encontramos que el ancho debanda de los campos es, por lo general, independiente de la dimensión del sistema. Asimismo, la complejidad del espectro de Fourier del campo efectivamenteaumenta a medida que se incrementa el número de excitaciones en el sistema. Sinembargo, también concluimos que la naturaleza regular o caótica del sistema noafecta significativamente su controlabilidad. Finalmente, estudiamos sistemas cuánticos abiertos en presencia de campos externos. En ese contexto, actualmente se debate si los entornos no Markovianospueden ser usados como un recurso para mejorar la controlabilidad de dichos sistemas. Una de las características más atractivas de estos sistemas es que describenescenarios en los que la pérdida de información y de coherencia son reversibles y,por lo tanto, es posible ujo temporario de información desde el entorno hacia elsistema. Estudiamos la relación entre el grado de no-Markovianidad y la acciónde campos de control dependientes del tiempo en un sistema de dos niveles interactuando con un entorno estructurado a baja temperatura. Para este sistema,hallamos que aplicando campos periódicos sobre el sistema es posible aumentarconsiderablemente el grado de no-Markovianidad con respecto al caso estático. Asimismo exploramos la relación entre los efectos no Markovianos y el control, yargumentamos que dichos efectos no pueden considerarse como un recurso pararealizar protocolos de control.