Control is important for transferring theoretical scientific knowledge into practical technology for applications in numerous fields. This is why coherent control study is significant on every timescale to have a complete understanding of dynamic processes that occur on the electron, atomic and molecular levels. As a result, numerous schemes have been proposed to carry out effective quantum control of diverse systems and study the dynamics of these systems based on their natural timescales from the picoseconds (10-12 s), femtosecond (10-15 s) to attosecond (10-18 s) regimes. The goals of these various studies depend on the desired application, for instance in Photochemistry a long standing objective is achieving selective population transfer from an initial state to a desired target state with little or no diminution in the energy transferred. In quantum computation, a central issue is the excitation of unoccupied Rydberg states with numerous proposals for its use in the design and implementation of robust fast quantum gates. Also, since the advent of the generation of attosecond XUV pulses, doors have been opened for achieving control of atomic-scale electron dynamics and observing them in real-time. This thesis explores the modelling of dynamical light-matter interaction processes, like effective population inversion and generation of vibrational coherences in atoms and molecules, on their fundamental timescales using the density matrix (DM) theory under and beyond the rotating wave approximation (RWA). The thesis begins by introducing the concept of coherent control of simple quantum systems based on the DM formalism and expands the application to a more complex Oxazine system. Multiphoton p-pulse scheme is demonstrated for the control of population transfer in multilevel systems, for example with a trichromatic p-pulse having a set of areas v3 p, 2p and v3 p, complete population transfer in a four level system can be achieved. The aforementioned scheme is used to achieve effective control of low-lying Rydberg states in rubidium atoms, demonstrating how the effective control can be crucially affected by numerous physical processes. One main advantage of the density matrix approach over other theoretical approaches is that it allows the possibility of easily computing relaxation terms and other physical parameters critical to successful coherent control. The DM formalism is shown to be successful in properly describing the enhancement effects in atoms and complex molecular systems. It is robust in coherent control and quantum control spectroscopy (QCS) schemes and is extendable to numerous systems and geometric configurations. In the last part of the thesis, experiments on laser dressing processes in attosecond transient absorption spectroscopy are compared to numerical simulations using the DM analysis beyond the RWA. The research in this thesis opens a pathway to numerous studies using the DM formalism for applications in diverse fields of femtochemistry, attophysics, high precision spectroscopy and quantum information processing. El control quàntic coherent és important per transferir coneixement científic teòric a la tecnologia, per a aplicacions en nombrosos camps. Per aquest motiu, l'estudi del control coherent és significatiu a totes les escales de temps, per comprendre de manera completa els processos dinàmics que es produeixen en els nivells electrònics, atòmics i moleculars. Com a resultat, s'han proposat nombrosos esquemes per dur a terme un control quàntic eficient de diversos sistemes i estudiar la dinàmica d'aquests sistemes basant-se en les seves escales de temps naturals, des dels picosegons (10-12 s), femtosegons (10-15 s) fins a règims d'attosegons (10-18 s). Els objectius d'aquests estudis depenen de l'aplicació desitjada, per exemple, en fotoquímica, un objectiu buscat extensivament és aconseguir una transferència selectiva de la població des d'un estat inicial fins a un estat final desitjat, amb poca o cap disminució de l'energia transferida. En computació quàntica, un tema central és l'excitació dels estats desocupats de Rydberg, amb nombroses propostes per al seu ús en el disseny i implementació de portes quàntiques robustes i ràpides. A més, des de l'arribada de la generació de polsos XUV d'attosegons, s'han obert camins per aconseguir el control de la dinàmica electrònica a escala atòmica i observar-la en temps real. Aquesta tesi explora la modelització de processos dinàmics d'interacció llum-matèria, com ara la inversió efectiva de població i la generació de coherències vibracionals en àtoms i molècules, en les seves escales de temps fonamentals, utilitzant la teoria de la matriu densitat (MD), en l'aproximació d'ona rotant (RWA) i més enllà. La tesi comença introduint el concepte de control coherent de sistemes quàntics simples basats en el formalisme de MD i amplia l'aplicació a un sistema més complexes, com ara oxazines. Es demostra l'esquema multifotó amb polsos p per al control de la transferència de població en sistemes multinivell, per exemple, amb un pols p-tricromàtic que té un conjunt d'àrees v3 p, 2p i v3 p, amb el qual la transferència completa de població en un sistema de quatre nivells pot ser aconseguit. L'esquema esmentat s'utilitza per aconseguir un control eficient d'estats de Rydberg en àtoms de rubidi, i es mostra com aquest control pot ser afectat crucialment per nombrosos processos físics. Un avantatge principal de l'estudi de la matriu densitat comparat amb altres enfocaments teòrics és que permet la possibilitat de computar fàcilment els termes de relaxació i altres paràmetres físics crítics per a un control coherent efectiu. Es demostra que el formalisme de la MD és exitós per descriure correctament l'amplificació d'efectes tant en àtoms com en sistemes moleculars més complexos. El formalisme de la MD és robust en esquemes de control coherent i d'espectroscòpia quàntica i és extensible a nombrosos sistemes i configuracions. En la darrera part de la tesi, es comparen experiments realitzats sobre processos de "vestiment" amb làsers intensos en espectroscòpia d'absorció transitòria d'attosegon amb simulacions numèriques utilitzant l'anàlisi de MD més enllà de la RWA. La recerca en aquesta tesi obre un camí a nombrosos estudis utilitzant el formalisme de MD per a aplicacions en diversos camps de femtoquímica, attofísica, espectroscòpia d'alta precisió i processament d'informació quàntica.
Control is important for transferring theoretical scientific knowledge into practical technology for applications in numerous fields. This is why coherent control study is significant on every timescale to have a complete understanding of dynamic processes that occur on the electron, atomic and molecular levels. As a result, numerous schemes have been proposed to carry out effective quantum control of diverse systems and study the dynamics of these systems based on their natural timescales from the picoseconds (10-12 s), femtosecond (10-15 s) to attosecond (10-18 s) regimes. The goals of these various studies depend on the desired application, for instance in Photochemistry a long standing objective is achieving selective population transfer from an initial state to a desired target state with little or no diminution in the energy transferred. In quantum computation, a central issue is the excitation of unoccupied Rydberg states with numerous proposals for its use in the design and implementation of robust fast quantum gates. Also, since the advent of the generation of attosecond XUV pulses, doors have been opened for achieving control of atomic-scale electron dynamics and observing them in real-time. This thesis explores the modelling of dynamical light-matter interaction processes, like effective population inversion and generation of vibrational coherences in atoms and molecules, on their fundamental timescales using the density matrix (DM) theory under and beyond the rotating wave approximation (RWA). The thesis begins by introducing the concept of coherent control of simple quantum systems based on the DM formalism and expands the application to a more complex Oxazine system. Multiphoton p-pulse scheme is demonstrated for the control of population transfer in multilevel systems, for example with a trichromatic p-pulse having a set of areas v3 p, 2p and v3 p, complete population transfer in a four level system can be achieved. The aforementioned scheme is used to achieve effective control of low-lying Rydberg states in rubidium atoms, demonstrating how the effective control can be crucially affected by numerous physical processes. One main advantage of the density matrix approach over other theoretical approaches is that it allows the possibility of easily computing relaxation terms and other physical parameters critical to successful coherent control. The DM formalism is shown to be successful in properly describing the enhancement effects in atoms and complex molecular systems. It is robust in coherent control and quantum control spectroscopy (QCS) schemes and is extendable to numerous systems and geometric configurations. In the last part of the thesis, experiments on laser dressing processes in attosecond transient absorption spectroscopy are compared to numerical simulations using the DM analysis beyond the RWA. The research in this thesis opens a pathway to numerous studies using the DM formalism for applications in diverse fields of femtochemistry, attophysics, high precision spectroscopy and quantum information processing. El control quàntic coherent és important per transferir coneixement científic teòric a la tecnologia, per a aplicacions en nombrosos camps. Per aquest motiu, l'estudi del control coherent és significatiu a totes les escales de temps, per comprendre de manera completa els processos dinàmics que es produeixen en els nivells electrònics, atòmics i moleculars. Com a resultat, s'han proposat nombrosos esquemes per dur a terme un control quàntic eficient de diversos sistemes i estudiar la dinàmica d'aquests sistemes basant-se en les seves escales de temps naturals, des dels picosegons (10-12 s), femtosegons (10-15 s) fins a règims d'attosegons (10-18 s). Els objectius d'aquests estudis depenen de l'aplicació desitjada, per exemple, en fotoquímica, un objectiu buscat extensivament és aconseguir una transferència selectiva de la població des d'un estat inicial fins a un estat final desitjat, amb poca o cap disminució de l'energia transferida. En computació quàntica, un tema central és l'excitació dels estats desocupats de Rydberg, amb nombroses propostes per al seu ús en el disseny i implementació de portes quàntiques robustes i ràpides. A més, des de l'arribada de la generació de polsos XUV d'attosegons, s'han obert camins per aconseguir el control de la dinàmica electrònica a escala atòmica i observar-la en temps real. Aquesta tesi explora la modelització de processos dinàmics d'interacció llum-matèria, com ara la inversió efectiva de població i la generació de coherències vibracionals en àtoms i molècules, en les seves escales de temps fonamentals, utilitzant la teoria de la matriu densitat (MD), en l'aproximació d'ona rotant (RWA) i més enllà. La tesi comença introduint el concepte de control coherent de sistemes quàntics simples basats en el formalisme de MD i amplia l'aplicació a un sistema més complexes, com ara oxazines. Es demostra l'esquema multifotó amb polsos p per al control de la transferència de població en sistemes multinivell, per exemple, amb un pols p-tricromàtic que té un conjunt d'àrees v3 p, 2p i v3 p, amb el qual la transferència completa de població en un sistema de quatre nivells pot ser aconseguit. L'esquema esmentat s'utilitza per aconseguir un control eficient d'estats de Rydberg en àtoms de rubidi, i es mostra com aquest control pot ser afectat crucialment per nombrosos processos físics. Un avantatge principal de l'estudi de la matriu densitat comparat amb altres enfocaments teòrics és que permet la possibilitat de computar fàcilment els termes de relaxació i altres paràmetres físics crítics per a un control coherent efectiu. Es demostra que el formalisme de la MD és exitós per descriure correctament l'amplificació d'efectes tant en àtoms com en sistemes moleculars més complexos. El formalisme de la MD és robust en esquemes de control coherent i d'espectroscòpia quàntica i és extensible a nombrosos sistemes i configuracions. En la darrera part de la tesi, es comparen experiments realitzats sobre processos de "vestiment" amb làsers intensos en espectroscòpia d'absorció transitòria d'attosegon amb simulacions numèriques utilitzant l'anàlisi de MD més enllà de la RWA. La recerca en aquesta tesi obre un camí a nombrosos estudis utilitzant el formalisme de MD per a aplicacions en diversos camps de femtoquímica, attofísica, espectroscòpia d'alta precisió i processament d'informació quàntica.
Controlling the dynamics of open quantum systems; i.e. quantum systems that decohere because of interactions with the environment, is an active area of research with many applications in quantum optics and quantum computation. My thesis expands the scope of this inquiry by seeking to control open systems in proximity to an additional system. The latter could be a classical system such as metal nanoparticles, or a quantum system such as a cluster of similar atoms. By modelling the interactions between the systems, we are able to expand the accessible state space of the quantum system in question.For a single, three-level quantum system, I examine isolated systems that have only normal spontaneous emission. I then show that intensity-intensity correlation spectra, which depend directly on the density matrix of the system, can be used detect whether transitions share a common energy level. This detection is possible due to the presence of quantum interference effects between two transitions if they are connected. This effect allows one to asses energy level structure diagrams in complex atoms/molecules. By placing an open quantum system near a nanoparticle dimer, I show that the spontaneous emission rate of the system can be changed ``on demand" by changing the polarization of an incident, driving field. In a three-level, Λ system, this allows a qubit to both retain high qubit fidelity when it is operating, and to be rapidly initialized to a pure state once it is rendered unusable by decoherence. This type of behaviour is not possible in a single open quantum system; therefore adding a classical system nearby extends the overall control space of the quantum system. An open quantum system near identical neighbours in a dense ensemble is another example of how the accessible state space can be expanded. I show that a dense ensemble of atoms rapidly becomes disordered with states that are not directly excited by an incident field becoming significantly populated. This effect motivates the need for using multi-directional basis sets in theoretical analysis of dense quantum systems. My results demonstrate the shortcomings of short-pulse techniques used in many recent studies. Based on my numerical studies, I hypothesize that the dense ensemble can be modelled by an effective single quantum system that has a decoherence rate that changes over time. My effective single particle model provides a way in which computational time can be reduced, and also a model in which the underlying physical processes involved in the system's evolution are much easier to understand. I then use this model to provide an elegant theoretical explanation for an unusual experimental result called ``transverse optical magnetism''. My effective single particle model's predictions match very well with experimental data.
El naixement de la Mecanica Quantica va proporcionar el marc teoric que permetia poder explicar fenomens previament observats experimentalment, com ara la radiacio del cos negre, l'efecte fotoelectric o les linies espectrals de gasos atomics, i tambe va permetre entendre millor aspectes fonamentals relacionats amb la dualitat ona-particula i la interaccio entre radiacio i materia. La Mecanica Quantica ha estat tambe l'origen de disciplines mes especifiques com l'Optica Quantica o la Informacio Quantica, les quals s’ocupen parcialment del que es coneix com Enginyeria Quantica. En aquest context, s'han proposat processos de passatge adiabatic, que consisteixen en el seguiment adiabatic d'un estat propi del sistema, i que permeten un control molt robust i eficient de la transferencia de poblacio entre dos estats assimptotics. Com molts altres processos en Mecanica Quantica, els processos de passatge adiabatic son purament oscil•latoris i poden ser considerats en altres sistemes fisics no quantics que suportin quantitats oscil•lants. En aquesta tesi, s'analitzen processos de passatge adiabatic en diferents sistemes fisics per a controlar la propagacio de llum, so i ones de materia en sistemes de guies acoblades, i la transferencia d'atoms freds individuals en trampes de potencial harmoniques. Adicionalment, utilitzem la robustesa i l'alta eficiencia del passatge adiabatic per proposar nous dispositius i discutir noves implementacions en aquests diversos camps. Especificament, demostrem experimentalment el passatge espacial adiabatic de llum en un sistema de tres guies TIR d'oxid de silici compatibles-CMOS acoblades mitjancant el camp evanescent, que consisteix en una transferencia completa d'intensitat de llum entre les guies externes del sistema. L'avantatge d'usar el passatge espacial adiabatic respecte els acobladors direccionals estandard es que la transferencia de llum es robusta enfront de fluctuacions tecnologiques i no depen de valors precisos dels parametres. Aquest es el primer dispositiu de passatge espacial adiabatic per llum fabricat amb tecnologia compatible-CMOS, el que permet una integracio massiva i de baix cost. A mes, tambe demostrem experimentalment que aquest sistema de guies es comporta simultaniament com a filtre passa alts i passa baixos, amb unes caracteristiques que el fan una alternativa a altres tipus de filtres integrables com filtres basats en interferencia o en absorcio. Adicionalment, adrecem el passatge espacial adiabatic d'ones sonores en sistemes de dos defectes lineals acoblats en cristalls sonics. Calculant els diagrames de bandes per analitzar els supermodes del sistema disponibles i modificant apropiadament la geometria dels defectes lineals al llarg de la propagacio, dissenyem dispositius que funcionen com a divisors i acobladors adiabatics mutifrequencia i com a analitzadors de diferencia de fase. Tambe, proposem un metode per injectar, extreure i filtrar en velocitat atoms neutres en trampes en forma d'anell mitjancant el passatge espacial adiabatic utilitzant dues guies addicionals. La proposta es basa en el seguiment adiabatic d’un estat propi transversal del sistema. Realitzem calculs semianalitics que encaixen perfectament amb els resultats de simulacions numeriques de l'equacio de Schrodinger. Tambe mostrem que la nostra proposta podria ser implementada experimentalment utilitzant parametres realistes d'atoms ultrafreds en potencials optics dipolars. Finalment, estudiem el passatge adiabatic d'un atom fred individual en un triple pou de potencial bidimensional, anant mes enlla dels sistemes coneguts, que son de manera efectiva unidimensionals i estudiant les possibilitats que sorgeixen dels graus de llibertat addicionals. D'una banda, un sistema de tres pous de potencial amb les trampes en una geometria triangular es proposa per a interferometria d'ones de materia, aprofitant un creuament de nivells que apareix en l'espectre d'energia. D'altra banda, es genera moment angular satisfactoriament en una configuracio similar on les trampes tenen frequencies d'atrapament diferents, seguint simultaniament dos estats propis del sistema.
The main goal of this PhD work is an experimental study of coherent excitation of atomic and molecular wavepackets, i.e. superpositions of many quantum eigenstates, by shaped femtosecond pulses. Approaches allowing nearly complete population transfer between quantum eigenstates were well studied in the past within the two level approximation. In this work we focus on adiabatic and non-adiabatic methods of population transfer beyond the two-level approximation. Excitation of multi-level target states is possible due to broad spectrum of an ultrashort pulse which contains frequencies needed for multiple transitions to different states in the final superposition. At the same time, the spectrum of an ultrashort pulse can be modified, or ``shaped'', in order to affect the excitation process and control the amplitudes in the final superposition. Both non-adiabatic and quasi-adiabatic methods were first implemented and studied in electronic wavepackets in alkali atoms. The non-adiabatic approach revealed features linked to the strong-field perturbations of the energy level structure of the quantum system. An adiabatic method was implemented for the first time on a femtosecond time scale, and was thoroughly characterized. The control over complex amplitudes in the target superposition was demonstrated as well as completeness of the population transfer. In the second part of this work, we focused on coherent control of rotational wavepackets in diatomic molecules. Rotational excitation by a periodic train of femtosecond pulses was investigated in the context of ``delta-kicked'' rotor - a paradigm system for studying quantum chaos, and the effect of quantum resonance was demonstrated for the first time in a system of true quantum rotors. Control of uni-directional molecular rotation was proposed and demonstrated with a novel ``chiral pulse train'' - a sequence of femtosecond pulses with polarization rotating from pulse to pulse by a predefined angle. All the developed techniques offer new tools in coherent control of atomic and molecular wavepackets on an ultrashort time scale.
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.
(English) The rapid advancement of quantum technologies is currently pushing the boundaries of scientific and technological innovation. Among the various platforms for translating quantum theory into practical applications, photons have emerged as particularly strong contenders. Their inherent advantages, such as low decoherence and swift propagation, make them ideal carriers of quantum information for communication, computation and sensing purposes. However, the efficient manipulation and control of photonic quantum states presents significant challenges, often requiring the use of interfaces. In this Thesis, we investigate several novel approaches to engineer and control the properties of light using a very traditional system: trapped neutral atoms in free space. In Chapter 2, we introduce a novel method to observe and manipulate strong quantum interference effects between a few photons and a single free-space atom. The approach uses a Maltese-cross configuration, where two perpendicular pump and probe coherent fields drive the atom. Even for a weak atom-light coupling, we demonstrate that adjusting the relative pump-probe strength ratio and phase can simulate an artificially enhanced coupling efficiency for specific observables. In particular, we are able to engineer photon correlations from fully anti-bunched to extremely bunched states, and control the linear transmission properties in specific directions. In Chapter 3, we propose the combination of ordered atomic arrays and Rydberg Electromagnetically Induced Transparency (EIT) as a promising platform for quantum nonlinear optics. The spatial periodicity of the array enables precise control over photon scattering, reducing the inherent dissipation associated with traditional Rydberg EIT protocols. Using a two dimensional array, we design and characterize a single photon switch, where the storage of a single photon as a Rydberg excitation results in a strong change in the system's optical response. This switch can be used to implement a photon-photon gate with an error scaling with the Rydberg blockade radius as Rb^{-4}, potentially reaching gate efficiencies of up to 99% for realistic experimental parameters. Additionally, we model the optical properties of the array in the strong driving regime, where the system is multiply excited. In Chapter 4, we discuss a recent experiment that observed features of the Driven-dissipative Dicke phase transition in a driven elongated cloud in free space. This is unexpected, as the Dicke model typically involves an ensemble coupling identically to a single, lossy photonic mode, akin to an ensemble coupled to a cavity. Instead, a free-space ensemble interacts with a continuum of modes, encoding propagation effects. Solving a simple model to explain this behavior, based on the one-dimensional Maxwell-Bloch equations, we observe nonanalytic behavior in certain observables. However, a closer analysis reveals a significant spatial inhomogeneity in atomic properties. We thus argue that the free-space system does not undergo a phase transition but rather a “phase separation,” roughly speaking, between saturated and unsaturated regions. Beyond understanding the phase transition, we also elucidate under which conditions some properties of atoms in cavities can be mapped to atoms in free space. Together, the results in this Thesis represent a meaningful contribution towards better understanding phenomena associated to atom-light interactions in free space, and towards translating that knowledge into practical useful implementations. (Català) El ràpid avenç de les tecnologies quàntiques està empenyent la frontera de la innovació científica i tecnològica. Entre els diferents sistemes utilitzats per convertir teoria quàntica en aplicacions útils, els fotons es presenten com a contendents de particular interès. Els seus avantatges inherents, com la baixa decoherència i ràpida propagació, els fan portadors ideals d'informació quàntica per a aplicacions en comunicació, computació i mesura. Tanmateix, la manipulació i control eficients d'estats quàntics fotònics presenten reptes significatius, sovint requerint l'ús d'interfícies. En la present Tesi, investiguem diversos enfocaments innovadors per dissenyar i controlar les propietats de la llum utilitzant àtoms neutres atrapats en el buit. Al Capítol 2, presentem un nou mètode per observar i manipular efectes d'interferència quàntica entre uns pocs fotons i un sol àtom en el buit. El nostre enfocament utilitza una configuració de Creu de Malta, on dos feixos coherents il·luminen l'àtom en direccions perpendiculars. Fins i tot quan l'acoblament àtom-fotó és dèbil, demostrem que un ajust precís de les relacions d'intensitat i fase relativa dels feixos és equivalent a obtenir una eficiència d'acoblament efectiva, la qual pot ser artificialment augmentada per a determinats observables. En particular, és possible dissenyar correlacions entre fotons, des d'estats totalment antiagrupats fins a estats extremadament agrupats, així com controlar les propietats de la transmissió lineal en direccions específiques. Al Capítol 3, proposem la combinació de retícules atòmiques ordenades, protocols de Transparència Electromagnèticament Induïda (EIT) i àtoms de Rydberg com una plataforma prometedora per a l'òptica quàntica no lineal. La periodicitat espacial de la retícula permet un control precís sobre la dispersió de fotons, reduint la dissipació inherent de protocols tradicionals basats en EIT i Rydberg. Utilitzant una retícula bidimensional, dissenyem i caracteritzem un `ìnterruptor'' accionat amb fotons individuals, on l'emmagatzematge d'un sol fotó com a excitació de Rydberg resulta en un fort canvi de la resposta òptica del sistema. Aquest interruptor es pot utilitzar per implementar portes lògiques fotó-fotó amb un error que escala amb el radi de bloqueig de Rydberg com R_b^{-4}, assolint potencialment eficiències de fins a 99% per a paràmetres assequibles experimentalment. Al Capítol 4, discutim un recent experiment on es van observar característiques pròpies de la transició de fase de Dicke en un núvol d'àtoms allargat il·luminat en el buit. Això és inesperat, ja que el model de Dicke típicament involucra un conjunt d'àtoms acoblats de manera idèntica a un sol mode fotònic, similar a un conjunt d'àtoms en una cavitat. En canvi, els àtoms en el buit interactuen amb un continu de modes òptics, donant lloc a efectes de propagació que comprometen la uniformitat del model de Dicke. En aquest capítol, presentem i resolem un model simple per explicar el comportament observat en l'experiment, basat en les equacions de Maxwell-Bloch unidimensionals. Tot i trobar un comportament no analític en certs observables, una anàlisi més detallada revela una inhomogeneïtat espacial significativa en les propietats atòmiques. Per això, concloem que el sistema en l'espai lliure no experimenta una transició de fase tradicional, sinó més aviat una ``separació'' de fase, entre regions saturades i no saturades. En conjunt, els resultats d'aquesta Tesi representen una contribució significativa cap a una millor comprensió dels fenòmens quàntics associats a les interaccions àtom-fotó en el buit, i cap a la conversió d'aquest coneixement en implementacions tecnològiques pràctiques. (Español) El rápido avance de las tecnologías cuánticas está empujando la frontera de la innovación científica y tecnológica. Entre los distintos sistemas utilizados para convertir teoría cuántica en aplicaciones tecnológicas, los fotones se presentan como contendientes de particular interés. Sus ventajas inherentes, como la baja decoherencia y rápida propagación, los hacen portadores ideales de información cuántica para aplicaciones en comunicación, computación y medición. Sin embargo, la manipulación y control eficientes de estados cuánticos fotónicos presentan desafíos significativos, a menudo requiriendo el uso de interfaces. En la presente Tesis, investigamos varios enfoques novedosos para diseñar y controlar las propiedades de la luz utilizando átomos neutros atrapados en el vacío. En el Capítulo 2, presentamos un nuevo método para observar y manipular efectos de interferencia cuántica entre unos pocos fotones y un solo átomo en el vacío. Nuestro enfoque utiliza una configuración de Cruz de Malta, donde dos haces coherentes iluminan el átomo en direcciones perpendiculares. Incluso cuando el acoplamiento átomo-fotón es débil, demostramos que un ajuste preciso de las relaciones de intensidad y fase relativa de los haces es equivalente a una eficiencia de acoplamiento efectiva, la cual puede ser artificialmente aumentada para determinados observables. En particular, es posible diseñar correlaciones entre fotones, desde estados totalmente antiagrupados hasta estados extremadamente agrupados, así como controlar las propiedades de la transmisión lineal en direcciones específicas. En el Capítulo 3, proponemos la combinación de retículos atómicos ordenados, protocolos de Transparencia Electromagnéticamente Inducida (EIT) y átomos de Rydberg como una plataforma prometedora para la óptica cuántica no lineal. La periodicidad espacial del retículo permite un control preciso sobre la dispersión de fotones, reduciendo la disipación inherente de protocolos tradicionales basados en EIT y Rydberg. Usando un retículo bidimensional, diseñamos y caracterizamos un `ìnterruptor'' accionado con fotones individuales, donde el almacenamiento de un solo fotón como excitación de Rydberg resulta en un fuerte cambio de la respuesta óptica del sistema. Este interruptor puede usarse para implementar puertas lógicas fotón-fotón con un error que escala con el radio de bloqueo de Rydberg como Rb^{-4}, alcanzando potencialmente eficiencias de hasta 99% para parámetros asequibles experimentalmente. En el Capítulo 4, discutimos un reciente experimento donde se observaron características propias de la t
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.