This thesis studies different designs of optical parametric oscillators as sources of atom-resonant quantum light resonant with the rubidium D1 line.We analyze the mode structure and filtering techniques in a conventional OPO based on a crystal inside a ring cavity. We also present a first fully-tunable design of a monolithic doubly-resonant OPO. The first part presents the study of a multimode optical parametric oscillator from the theoretical point of view, calculating a multimode Bogoliubov transformation and a time-domain intensity correlation function. Next, we experimentally observe signatures of multi- and singlemode OPO output in pairwise time-of-arrival correlations of the generated photons, achieved thanks to Faraday anomalous dispersion filtering technique based on optical properties of atomic vapor in magnetic field. The second, more extensive part of the thesis features the study of a new design of the OPO, a monolithic cavity (crystal polished and coated so that it forms a cavity) that allows full tunability even in a multiply resonant configuration. The architecture we propose combines the advantages of a conventional ring cavity based OPO, with robustness, lowmaintenance, compactness and stability characteristic of monolithic systems. The tunability of the doubly-resonant monolithic OPO is realized by maintaining different sections of the crystal at different temperatures and pressing it with a piezoelectric actuator. The tuning method is tested when the system is employed as a second harmonic generator. In addition, we describe a new nonlinear effect that comes into play when the monolithic cavity is pumped with 795 nm light. The phenomenon,that we call a photo-Kerr effect causes the cavity behavior resembling optical bistability due to Kerr nonlinearity, but with the magnitude (Kerr coefficient) dependent on the long-time average of intra-cavity power. The model we propose agrees well with the experimental results. The effect simplifies greatly the cavity stabilization, causing the cavity to maintain itself close to resonance even as the laser wavelength is changed by more than a free spectral range. The thesis concludes by studying the suitability of the monolithic cavity with the photo-Kerr effect for squeezed light generation. We test the monolithic cavity as an OPO and demonstrate 1.6 dB of quadrature squeezing via homodyne detection. Esta tesis estudia diferentes diseños de osciladores paramétricos (OPO, por sus signas en inglés) como fuentes de luz cuántica resonante con la línea D1 de átomos de rubidio. Analizamos la estructura de modos y las técnicas de filtrado en un oscilador paramétrico convencional basado en un cristal no lineal dentro de una cavidad. También presentamos el primer diseño de un OPO monolítico con dos resonancias con frecuencias ajustables. La primera parte de la tesis presenta el estudio de un oscilador paramétrico multimodo desde el punto de vista teórico, calculando una transformación de Bogoliubov multimodo y una función de correlación temporal de intensidad. A continuación, se observan experimentalmente las señales de la emisión de OPO multimodo o de un solo modo en correlaciones de tiempo de llegada de pares de los fotones generados, obtenidos gracias a la técnica de filtración de dispersión anómala de Faraday basada en las propiedades ópticas del vapor atómico en campo magnético. La segunda y más extensa parte de la tesis presenta el estudio de un nuevo diseño del OPO: una cavidad monolítica (cristal pulido y recubierto de tal manera que forma una cavidad) que permite ajustar las frecuencias de resonancia, incluso en una configuración multi-resonante. La arquitectura que proponemos combina las ventajas de una OPO convencional basada en una cavidad afuera de cristal, con robustez, bajo mantenimiento, compacidad y estabilidad característica de los sistemas monolíticos. La ajustibilidad del OPO monolítico con doble resonancia se realiza manteniendo diferentes secciones del cristal a diferentes temperaturas y presionándolo con un element piezoeléctrico. El método de afinación es sometido a prueba cuando el sistema se emplea como generador de segundo armónico. Además, describimos un nuevo efecto no lineal que entra en juego cuando la cavidad monolítica se bombea con luz 795 nm. El fenómeno que denominamos efecto photo-Kerr provoca que el comportamiento de la cavidad se asemeje a la biestabilidad óptica debido a la no linealidad de Kerr, pero con la magnitud (coeficiente de Kerr) dependiente del promedio de tiempo largo de la potencia de la luz dentro de la cavidad. El modelo numérico que proponemos coincide con los resultados experimentales. El efecto simplifica en gran medida la estabilización de la cavidad, hacienda que ésta se mantenga cerca de la resonancia incluso cuando la longitud de onda del láser cambia en más de la distancia entre dos resonancias consecutivas. La tesis concluye estudiando la idoneidad de la cavidad monolítica con el efecto photo-Kerr para la generación de luz comprimida. Se emplea la cavidad monolítica como oscilador paramétrico, obteniando luz comprimida y se demuestra 1.6 dB de squeezing mediante detección homodina.
This thesis studies different designs of optical parametric oscillators as sources of atom-resonant quantum light resonant with the rubidium D1 line.We analyze the mode structure and filtering techniques in a conventional OPO based on a crystal inside a ring cavity. We also present a first fully-tunable design of a monolithic doubly-resonant OPO. The first part presents the study of a multimode optical parametric oscillator from the theoretical point of view, calculating a multimode Bogoliubov transformation and a time-domain intensity correlation function. Next, we experimentally observe signatures of multi- and singlemode OPO output in pairwise time-of-arrival correlations of the generated photons, achieved thanks to Faraday anomalous dispersion filtering technique based on optical properties of atomic vapor in magnetic field. The second, more extensive part of the thesis features the study of a new design of the OPO, a monolithic cavity (crystal polished and coated so that it forms a cavity) that allows full tunability even in a multiply resonant configuration. The architecture we propose combines the advantages of a conventional ring cavity based OPO, with robustness, lowmaintenance, compactness and stability characteristic of monolithic systems. The tunability of the doubly-resonant monolithic OPO is realized by maintaining different sections of the crystal at different temperatures and pressing it with a piezoelectric actuator. The tuning method is tested when the system is employed as a second harmonic generator. In addition, we describe a new nonlinear effect that comes into play when the monolithic cavity is pumped with 795 nm light. The phenomenon,that we call a photo-Kerr effect causes the cavity behavior resembling optical bistability due to Kerr nonlinearity, but with the magnitude (Kerr coefficient) dependent on the long-time average of intra-cavity power. The model we propose agrees well with the experimental results. The effect simplifies greatly the cavity stabilization, causing the cavity to maintain itself close to resonance even as the laser wavelength is changed by more than a free spectral range. The thesis concludes by studying the suitability of the monolithic cavity with the photo-Kerr effect for squeezed light generation. We test the monolithic cavity as an OPO and demonstrate 1.6 dB of quadrature squeezing via homodyne detection. Esta tesis estudia diferentes diseños de osciladores paramétricos (OPO, por sus signas en inglés) como fuentes de luz cuántica resonante con la línea D1 de átomos de rubidio. Analizamos la estructura de modos y las técnicas de filtrado en un oscilador paramétrico convencional basado en un cristal no lineal dentro de una cavidad. También presentamos el primer diseño de un OPO monolítico con dos resonancias con frecuencias ajustables. La primera parte de la tesis presenta el estudio de un oscilador paramétrico multimodo desde el punto de vista teórico, calculando una transformación de Bogoliubov multimodo y una función de correlación temporal de intensidad. A continuación, se observan experimentalmente las señales de la emisión de OPO multimodo o de un solo modo en correlaciones de tiempo de llegada de pares de los fotones generados, obtenidos gracias a la técnica de filtración de dispersión anómala de Faraday basada en las propiedades ópticas del vapor atómico en campo magnético. La segunda y más extensa parte de la tesis presenta el estudio de un nuevo diseño del OPO: una cavidad monolítica (cristal pulido y recubierto de tal manera que forma una cavidad) que permite ajustar las frecuencias de resonancia, incluso en una configuración multi-resonante. La arquitectura que proponemos combina las ventajas de una OPO convencional basada en una cavidad afuera de cristal, con robustez, bajo mantenimiento, compacidad y estabilidad característica de los sistemas monolíticos. La ajustibilidad del OPO monolítico con doble resonancia se realiza manteniendo diferentes secciones del cristal a diferentes temperaturas y presionándolo con un element piezoeléctrico. El método de afinación es sometido a prueba cuando el sistema se emplea como generador de segundo armónico. Además, describimos un nuevo efecto no lineal que entra en juego cuando la cavidad monolítica se bombea con luz 795 nm. El fenómeno que denominamos efecto photo-Kerr provoca que el comportamiento de la cavidad se asemeje a la biestabilidad óptica debido a la no linealidad de Kerr, pero con la magnitud (coeficiente de Kerr) dependiente del promedio de tiempo largo de la potencia de la luz dentro de la cavidad. El modelo numérico que proponemos coincide con los resultados experimentales. El efecto simplifica en gran medida la estabilización de la cavidad, hacienda que ésta se mantenga cerca de la resonancia incluso cuando la longitud de onda del láser cambia en más de la distancia entre dos resonancias consecutivas. La tesis concluye estudiando la idoneidad de la cavidad monolítica con el efecto photo-Kerr para la generación de luz comprimida. Se emplea la cavidad monolítica como oscilador paramétrico, obteniando luz comprimida y se demuestra 1.6 dB de squeezing mediante detección homodina.
This PhD thesis is in the scope of experimental quantum communication. It deals with correlated photon pairs of which one photon is stored in a solid state device, while the other photon is at telecom wavelength. Quantum correlation between a photon at telecom wavelength and a photon stored in a quantum memory is an important resource for future applications like quantum repeaters, allowing the transmission quantum states over long distances. During the first part of this thesis, a novel photon pair source has been developed, based on spontaneous parametric downconversion (SPDC) inside a bow-tie cavity. SPDC is a non-linear process which splits a pump photon sporadically into two correlated photons, called signal and idler photon. The source used in this work has been designed to be compatible with a solid state quantum memory based on a Praseodymium doped crystal, using the atomic frequency comp (AFC) protocol. This material has shown promising properties for classical light storage. However, it features a small storage bandwidth of 4 MHz at 606 nm, which sets stringent requirements for the photons to be stored. To match these requirements the SPDC process takes place inside a bowtie cavity which is resonant with the created signal and idler photons. The difference between storage wavelength and telecom wavelength (1436 nm in our case) leads to widely non-degenerate photon pairs. These double resonance leads to a strong clustering effect, which suppresses a high number of redundant spectral modes. The created photon spectrum is investigated carefully and consists of three clusters with few well separated modes. The width of each mode is around 2 MHz and matches the requirement for the quantum memory. Single mode operation was achieved by placing an additional Fabry-Perot cavity in the idler field at 1436 nm. This resulted in the demonstration of the narrowest photon pairs consisting of a spectral single mode, created by SPDC to date. In the second part of the thesis, heralded single photons at 606 nm were created by the detection of a photon at 1436 nm. These heralded photons were then stored as collective optical excitations in a praseodymium crystal, using the AFC scheme. Non-classical correlation between the heralding photon and the stored and retrieved photons were observed for storage time up to 4 µs, 20 times longer than achieved in previous solid state quantum memory experiments. Further development on the source, led to improved results, including an increase of coincidence count rate by one order of magnitude and a heralding efficiency of 28 %. The single photon nature of the heralded photon was also measured directly by showing strong antibunching of the 606 nm signal field. These improvements made the created photons compatible with the storage in the spin state of the praseodymium level scheme, using the full AFC protocol. That enabled an extended storage time of 11 µs with on demand readout of the stored photon. The last part of the thesis explores another important resource for the distribution of quantum states with a quantum repeater, entanglement between the created photon pairs. Here we show a rather new approach of entanglement, which is well suited for narrow band photons based on frequency bins. We take advantage of the fact that the source naturally creates several energy correlated well separated frequency modes. In order to show the coherent superposition of the frequency modes, we use electro-optical modulators to coherently mix them. We could show high-visibility two-photon interference fringes, a strong indicator for entanglement in the frequency domain. The results presented in this thesis open the door for the demonstration of entanglement between a solid-state spin-wave quantum memory and a photon at telecom wavelength. This represents an important step for the realization of quantum repeaters using solid state resources. Esta Tesis doctoral se encuentra en el área de la comunicación cuántica experimental. Trata de pares de fotones de los cuales uno está almacenado en una memoria cuántica de estado sólido y su pareja es compatible con redes telecom. Las correlaciones cuánticas entre un fotón telecom y un fotón almacenado en una memoria cuántica son un recurso importante para aplicaciones del futuro como un repetidor cuántico, que permite la transmisión de un estado cuántico hacia distancias largas. Durante la primer parte de la tesis, se ha desarrollado una fuente de fotones nueva basada en la conversión paramétrica espontanea (SPDC). SPDC es un proceso no lineal que divide esporádicamente un fotón de alta frecuencia en dos fotones correlacionados de baja frecuencia dentro de un rango de varios centenares de GHz, llamados fotones signal y idler. La fuente es compatible con una memoria cuántica de estado sólido basada en un cristal dopado con iones de praseodimio, usando el protocolo de pinta de frecuencias atómica (AFC). Este material ha demostrado propiedades extraordinarias para el almacenamiento de luz coherente. Sin embargo, ofrece un ancho de banda muy limitado de 4 MHz alrededor de una longitud de onda de 606 nm para el almacenamiento. Esto pone requisitos rigurosos a los fotones creados. Para cumplir con estos requisitos el proceso de SPDC se encuentra dentro de una cavidad de configuración ¿bow-tie¿. La cavidad es resonante con los fotones de signal y los de idler, que tienen longitudes de onda diferentes, que induce pares de fotones extensamente no-degenerados. Esta resonancia doble induce un fuerte efecto de agrupación de modos espectrales, que evita un gran número de modos redundantes. El espectro de los fotones creados se ha investigado detenidamente y contiene tres grupos con pocos modos espectrales. La anchura de cada modo es 2 MHz y cumple con los requisitos de la memoria cuántica. El filtraje de un modo único se realiza con una cavidad de Fabry-Perot adicional. El resultado es la demonstración de los pares de fotones más estrechos en un modo espectral individual creados por SPDC. En la segunda parte de la tesis se crean fotones individuales de 606nm anunciados por la detección de un fotón de 1436 nm. Estos fotones anunciados se almacenan como excitación colectiva óptica en un cristal de praseodimio usando el protocolo de AFC. Correlaciones no-clásicas entre el fotón almacenado y el fotón anunciante se observan hasta una duración de almacenado de 4 µs, 20 veces más largo que lo conseguido en experimentos previos con una memoria cuántica de estado sólido. Con el desarrollo posterior de la fuente se logró una tasa de coincidencia un orden de magnitud más alta y una eficiencia de anunciado del 28 %. La naturaleza del fotón individual anunciado se demostró por medido del "antibunching" del campo signal. Estos avances hicieron que los fotones creados fueran compatibles con el almacenamiento en el estado de spin del cristal de praseodimio usando el protocolo completo de AFC. Esto permitió que la duración de almacenamiento fuera extendida a 11 µs y también una lectura en demanda. La última parte de la tesis explora entrelazamiento en frecuencia entre los pares de fotones creados. Es un tipo de entrelazamiento, aún poco investigado, basado en los modos espectrales, que es muy conveniente para los fotones de banda estrecha. Tomamos la ventaja de que la fuente crea varios modos de frecuencias separados y correlacionados en energía. Para demonstrar una superposición coherente de los modos de frecuencia usamos moduladores electro-ópticos para mezclarlos coherentemente. Demostramos franjas de interferencia entre dos fotones con una alta visibilidad, un fuerte indicador del entrelazamiento en frecuencia.
This thesis describes experimental work to generate and characterise single photons and photon pairs, with frequency content suitable for controlled interaction with cold rubidium atoms. We describe a photon-pair source, consisting of a cavity-enhanced spontaneous parametric down-conversion (CE-SPDC) system, followed by Fabry-Perot interferometer (FPI) filters, that produces narrowband photon pairs that have a bandwidth of ˜ 5 MHz. Both photons from the photon-pair source are matched to the D1 line in atomic rubidium. Type-II phase matching, a tuneable-birefringence resonator and MHz-resolution pump tuning are used to achieve independent frequency control over each photon in the pair with MHz precision, enabling them to excite different hyperfine transitions in rubidium. We have designed and implemented tuneable FPI, also with ~ MHz control over their resonance frequencies, to isolate a single frequency mode-pair from the CE-SPDC source. The filters have ~ 90 % on-resonance transmission and extinguish unwanted frequency components by over 20 dB. The thesis includes predictions of the two-photon spectra at the output of the CE-SPDC source, and also after the filters, based on existing theoretical models of CE-SPDC. We measure the two-photon linewidth, the number of modes in an emission cluster and the spacing between clusters, the second-order cross-correlation and heralded autocorrelation functions, and find good agreement with predictions. We demonstrate independent tuneability of the signal and idler frequencies by atomic absorption spectroscopy with the filtered CE-SPDC output as the light source. We also report a technique to resolve narrow frequency differences between photons with a high frequency resolution. The technique, which we call autoheterodyne characterisation, can measure the photon-pair joint spectra by detecting the time-correlation beat-note when nondegenerate photon-pairs interfere at a beamsplitter. It implements a temporal analog of the Ghosh-Mandel effect with one photon counter and a time-resolved Hong-Ou-Mandel interference with two. We provide a complete theoretical description of the process and show how the distribution of sum and difference frequencies in the photon-pair spectrum can be obtained from measured correlation functions. Through a power spectral analysis of the correlation measurements, the strengths, linewidths and relative frequencies of the spectral content in the two-photon state is obtained. With this, it is possible to quantify the contribution of undesired frequency modes when a single mode output is required. We analyse the application of this technique to photon-pairs that are produced by narrowband pumping and are strongly anti-correlated in frequency, and to pairs with reduced frequency correlations produced by broadband pumping. Experimentally, we demonstrate this technique using photon-pairs from the filtered CE-SPDC source described in the previous paragraph, that have a frequency separation of ~ 200 MHz. From the results, we quantify the performance of the filters and verify the accuracy of our model for the two-photon joint spectra from this source. Esta tesis describe trabajos de laboratorio, que tienen como objetivo generar y caracterizar fotones individuales y pares de fotones, aptos para interactuar con átomos fríos. Para este fin, el espectro conjunto o contenido en frecuencia de los fotones pares es de particular interés. El átomo considerado en la tesis es rubidio. Primero describimos una fuente de pares de fotones, basada en el proceso de conversión paramétrica descendente espontánea (spontaneous parametric down-conversion, SPDC por sus siglas en inglés), aumentada por un resonador óptico (cavity-enhanced SPDC, o CE-SPDC). Este proceso genera pares de fotones de banda estrecha, con un ancho de banda de ≈5MHz Ambos fotones producidos por la fuente concuerdan en frecuencia con la línea D1 del rubidio atómico. La coincidencia de fases (phase matching) de tipo dos, un resonador de birrefringencia ajustable, y una bomba de frecuencia ajustable con resolución de unos MHz, son usados para conseguir control independiente sobre la frecuencia de cada fotón del par, con precisión de MHz, permitiendo que exciten diferentes transiciones hiperfinas del rubidio. Diseñamos e implementamos filtros Fabry-Perot sintonizables, también con una precisión de control de _ MHz en su frecuencia de resonancia. Con dichos filtros, demostramos la selección de pares de fotones que provienen, cada uno, de un solo modo del resonador, y por lo tanto con un ancho de banda definido por dicho modo. Los filtros tienen una transmisión del .̴ 90% en resonancia y extinguen componentes fuera de banda en 20 dB. Calculamos el espectro conjunto de los pares de fotones producidos, tanto a la salida de la fuente, como después de lo filtros, a base de modelos teóricos de CE-SPDC. Medimos el ancho de banda de ambos fotones, el número de modos de emisión en un cúmulo, el espaciado espectral entre grupos de modos cuasi-resonantes, y las funciones de correlación cruzada de segundo orden y de autocorrelación anunciada, y resultan estar en buen acuerdo con las predicciones. Demostramos un ajuste independiente de la frecuencia del fotón signal y del fotón idler mediante espectroscopía de absorción con la salida del CE-SPDC como fuente de luz. También presentamos una técnica para distinguir diferencias estrechas de frecuencia entre fotones con una gran resolución en frecuencia. Esta técnica, a la que llamamos caracterización autoheterodina, permite medir el espectro conjunto de un par de fotones mediante la detección de la correlación en tiempo de su batido (beat-note) cuando el par de fotones no-degenerados interfiere en un divisor de haz. Esta técnica implementa un análogo temporal al efecto Ghosh-Mandel con un contador de fotones y una interferencia Hong-Ou-Mandel con resolución temporal con dos. Proporcionamos una descripción teórica completa del proceso y mostramos como la distribución de la suma y diferencia de frecuencias en el espectro del par de fotones puede obtenerse a partir de las medidas de las funciones de correlación. Mediante el análisis del espectro de las medidas de correlación, se obtienen las amplitudes, anchos de línea y frecuencias relativas del contenido espectral del estado conjunto de los dos fotones. Con esto, es posible cuantificar la presencia de modos indeseados de frecuencia cuando se requiere una salida monomodo. Analizamos la aplicación de esta técnica a pares de fotones producidos por bombeo de banda estrecha y fuertemente anti-correlacionados en frecuencia, y a pares con correlaciones de frecuencia reducidas producidos por bombeo de banda ancha. Experimentalmente, demostramos esta técnica usando pares de fotones generados por la fuente descrita en el párrafo anterior, con una separación en frecuencia de .̴ 200MHz. A partir de los resultados, cuantificamos el desempeño de los filtros y verificamos la exactitud de nuestro modelo para el espectro conjunto de los dos fotones provenientes de la fuente CE-SPDC con filtros.
This thesis is mainly devoted to the study of the quantum properties of optical parametric oscillators (OPOs), which are nowadays the sources of the highest-quality quantum-correlated light, apart from fundamental tools in the classical-optics realm, allowing for the conversion of laser light into virtually all regions of the optical spectrum. Regarding its content, the thesis might seem a bit unusual, because two thirds of it are devoted to a self-contained (though dense) introduction to quantum optics, including the quantum physics of harmonic oscillators, the quantization of the electromagnetic field in an open optical cavity and the detection of its output light, as well as the derivation of the basic model and known properties of OPOs. Hence, all the original results of the thesis are contained in the last third, were it is proven that all OPOs can be understood as multi-mode devices whose quantum properties can be explained in terms of three basic phenomena: bifurcation squeezing, spontaneous symmetry breaking, and pump clamping, which are introduced through simple, yet realistic examples.
En la primera parte, el tema de estudio son las fluctuaciones cuanticas en el Oscilador Optico Parametrico (OPO) de tipo II. En esencia, los OPOs son cavidades opticas que contienen un cristal con una no linealidad de segundo orden. Cuando bombeamos con un laser de frecuencia 2w0, el OPO es capaz de generar frecuencias ws (senal) y wi (vago) de tal forma que ws+wi=2w0. Que el dispositivo sea de Tipo II hace referencia a que estos haces tienen polarizaciones ortogonales. En una descripcion clasica, la generacion de frecuencias requiere que el OPO sea bombeado por encima de un cierto valor umbral; sin embargo, cuanticamente las parejas de fotones senal-vago pueden ser generadas incluso por debajo de ese umbral, lo cual les confiere propiedades cuanticas muy interesantes. En particular, los OPOs de tipo I, en los cuales senal y vago tienen la misma polarizacion, mantienen el record de reduccion de ruido en cuadraturas (single-mode squeezing), lo que se manifiesta en el modo degenerado de frecuencia ws=wi=w0; consistiendo el squeezing en reducir el ruido cuantico en un observable a costa de incrementarlo en su par canonico, preservando asi el principio de incertidumbre, lo que permite, por ejemplo, realizar medidas ultraprecisas virtualmente libres de ruido cuantico. Por otro lado, los OPOs de tipo II ademas de proporcionar squeezing en la suma de fases de senal y vago (lo que no resulta detectable puesto que se trata de una cuadratura mixta que implica a dos modos de frecuencias y polarizaciones diferentes), tiene reduccion completa de ruido en la resta de intensidades, lo cual quiere decir que sus amplitudes estan perfectamente correlacionadas y los haces ?entrelazados?. Cuando dos sistemas estan entrelazados, presentan correlaciones cuanticas no-locales que pueden explotarse para muchas aplicaciones impensables en el dominio clasico. Sin embargo, para la manipulacion y deteccion de estos estados es muy conveniente que los campos generados esten degenerados en frecuencia (locking). Hasta ahora, las tecnicas conocidas que consiguen locking deterioran los niveles de squeezing y entrelazamiento. La primera vez que fue propuesta una tecnica de locking fue por Fabre y colaboradores. En esta parte de la tesis, nosotros proponemos una alternativa de conseguir degeneracion a frecuencia w0. Mostramos que el locking puede ser conseguido en el OPO tipo II preservando buenos niveles de entrelazamiento. En la segunda parte de la tesis nos centramos en el estudio de simuladores cuanticos de la fisica de sistemas de muchos cuerpos. En particular, nos centramos en el estudio de colecciones (arrays) de cavidades opticas, cada una interactuando fuertemente con un emisor de dos niveles. Este tipo de sistemas han recibido una atencion considerable en los ultimos anos. Se han descubierto fases coherentes fuertemente correlacionadas y se ha discutido sobre analogias con el efecto hall cuantico y con estados cuanticos topologicamente protegidos. En investigaciones anteriores el mecanismo de bombeo utilizado ha sido un bombeo coherente para cada cavidad, con lo que la relacion de fase entre los campos de cavidades distantes podia ser atribuida, al menos en parte, a la relacion de fase entre los campos coherentes bombeados. En este trabajo mostramos que la coherencia entre cavidades distantes puede construirse espontaneamente, provocada solo por los procesos fisicos dentro del array. De esta forma nos preguntamos si en estas estructuras se pueden desarrollar superfluidos fuera del equilibrio o condensados de Bose Einstein. Por este motivo, consideramos que el array de cavidades esta bombeado solo de forma incoherente. Para una sola cavidad el sistema se reduce al laser de un solo emisor (one- emitter laser), ampliamente estudiado en trabajos anteriores. En nuestro analisis nos concentramos en las correlaciones en cavidades distantes, tipicamente consideradas para investigar efectos de rango lejano y la emergencia de superfluidez. De hecho encontramos correlaciones colectivas cuando las cavidades se encuentran en regimen de emision laser. Estas correlaciones decaen mas rapido que ninguna potencia de la distancia cuando la distancia entre cavidades tiende a infinito para cualquier dimension del array. Como es de esperar, la longitud de correlacion asociada aumenta al aumentar el acoplo entre cavidades. Tambien encontramos propiedades intrinsecas del laser, como el tipico espectro de fotoluminiscencia, el triplete de Mollow, el cual puede ser observado lejos de la resonancia entre emisor y cavidad debido a la aparicion de modos fotonicos colectivos. La tercera parte de la tesis se centra en el estudio de cavidades optomecanicas, que son resonadores opticos (dos espejos enfrentados, por ejemplo) iluminados por un laser, en los que se produce una interaccion entre la luz y uno o varios sistemas mecanicos. Estos dispositivos pueden implementarse de varias formas, siendo la mas sencilla la que asume que la luz ejerce una presion de radiacion que puede modificar la posicion de un espejo movil. El uso de resonadores opticos permite aumentar en varios ordenes de magnitud la intensidad de la luz en el interior de la cavidad, lo cual conduce a una mejora impresionante de la interaccion. Las cavidades optomecanicas han sido implementadas usando diferentes osciladores mecanicos (OMs) como, por ejemplo, resonadores microtoroidales o membranas suspendidas en una cavidad. Desde el punto de vista cuantico, estos dispositivos tambien pueden proporcionar estados cuanticos de la luz como squeezed o entrelazados, asi como enfriamiento del OM (laser cooling). El laser cooling es una tecnica para enfriar el OM hasta su estado fundamental (el de minima energia), punto de partida para estudiar la transicion microscopica-macroscopica de las leyes mecano-cuanticas. El modelo propuesto en esta parte de la tesis, permite la coexistencia de muchos modos tanto mecanicos como opticos (estamos entonces en presencia de un sistema intrinsecamente multimodo). A traves del estudio de la estabilidad del sistema hemos obtenido que pueden coexistir dos soluciones homogeneas (biestabilidad) y que no solo existen inestabilidades temporales, sino que tambien pueden formarse estructuras espaciales disipativas. Por ejemplo, partiendo de una inyeccion plana (invariante bajo traslaciones) encontramos patrones hexagonales (que rompen espontaneamente la simetria espacial), y, en la zona de biestabilidad, donde los patrones coexisten con una solucion homogenea, encontramos solitones de cavidad.
La luz comprimida (squeezed light) es uno de los componentes importantes de los experimentos de memorias cuánticas. Un almacenamiento eficiente de la luz comprimida en una colectividad de átomos exige que la luz (comprimida) sea resonante a la línea espectral de absorción. El láser de diodo puede acceder a una amplia clase de líneas espectrales dado al amplio rango de longitudes de onda accesibles. Por lo tanto, el uso de fuentes de luz comprimida basadas en láseres de diodo ampliaría el número de los posibles experimentos. Además, los láseres de diodo reúnen muchas buenas características como son su construcción robusta y compacta, simplicidad y bajo precio. La única desventaja de los láseres diodo es el ruido de la fase que resulta en un ensanchamiento de sus líneas espectrales. Esta tesis describe estudios experimentales y teóricos de generación de estados de luz omprimida en cuadratura y polarización, adecuados para la interacción con átomos de rubidio. En ese ocumento damos una atención especial al ruido de fase y sus efectos en el grado de compresión de la luz y los métodos para lograr luz comprimida en presencia de ruido de fase generado en el láser de diodo. La tesis está estructurada de la siguiente manera: El primer capítulo presenta las ideas generales de la conversión paramétrica de frecuencia (parametric downconversion) en un oscilador paramétrico óptico. Aquí derivamos la descripción teórica de la luz comprimida en un oscilador paramétrico óptico operado por debajo del nivel umbral. El segundo capítulo describe el aparato experimental. Primero, damos una descripción detallada del diseño de la cavidad paramétrica óptica y resumimos las propiedades del cristal no lineal. A continuación, pasamos a describir el láser y los sistemas usados para la estabilización del sistema láser y de la cavidad del oscilador. En el tercero se discute la ganancia de amplificación y la eficiencia de detección. Por último damos una descripción general del experimento y presentamos los resultados en la compresión cuántica ("squeezing") de la luz. El último capítulo analiza los efectos de ruido de fase en el "squeezing" de cuadratura y describe una técnica para eliminar su efecto. Primero, discutimos el origen del ruido de fase para sistemas de láser de diodo. Segundo, derivamos el grado observable de "squeezing", teniendo en cuenta los efectos de fluctuaciones cuasi-estacionarias de frecuencia. Por último, mostramos cómo los efectos del ruido de fase pueden ser eliminados y comparamos la predicción teórica con nuestros resultados experimentales. El resultado de este proyecto es una fuente de luz no-clásica resonante con la transición atómica del rubidio. Caracterizamos el "squeezing" del estado de vacío cuántico resultante. El máximo grado de compresión logrado en el experimento fue 2.5dB por debajo del nivel de ruido cuántico. Además realizamos un análisis del efecto que el ruido de fase tiene en el grado de compresión. Los resultados de este análisis mostraron que en presencia de ruido de fase se espera que el "squeezing" dependa del retardo relativo entre el haz de luz comprimida y el oscilador local. Comprobamos experimentalmente esta hipótesis y medimos el grado de compresión como una función del retardo entre la luz comprimida y el oscilador local. Los resultados experimentales obtenidos fueron consistentes con la teoría. Aparte de construir una fuente luz comprimida resonante con rubidio, hemos probado que el láser de diodo es una fuente adecuada para la producción de luz comprimida. Hemos proporcionado una teoría que trata el efecto de ruido de fase en el grado de compresión de la luz en un oscilador paramétrico óptico. El aparato experimental presentado aquí utiliza técnicas estándar que podrían ser aplicadas a una variedad de otras longitudes de ondas. This thesis describes experimental and theoretical studies of generation of quadrature- and polarization-squeezed light suitable for interaction with rubidium atoms. Special attention is paid to phase noise, its effects on squeezing, and methods to achieve squeezing in the presence of diode laser phase noise. Squeezed light is an important component of quantum memories experiments. Efficient storage of (squeezed) light in atomic ensembles requires the light to be resonant to the respective atomic transition. Diode lasers can access many atomic transitions as they cover significantly broader wavelength range than other classes of lasers. Consequently, employing diode-laser-based squeezed light sources would broaden the range of possible quantum memories experiments. Furthermore, diode lasers posses many attractive features like robustness, simplicity, compactness, and low price. The drawback of the diode laser is it's excess phase noise, which results in a relatively large linewidth. This forms an obstacle for detection of phasesensitive quantum states such as quadrature squeezing. The thesis is structured as follows: The first chapter presents the general ideas on parametric downconversion in an optical parametric oscillator. Here we derive the theoretical description of squeezing of the light field in a subthreshold optical parametric oscillator. The second chapter describes the experimental apparatus. First, we give a detailed description of the design of the optical parametric oscillator cavity and summarise the properties of the nonlinear crystal. In continuation, we describe the laser system and the locking systems used for the laser system and the optical parametric oscillator cavity stabilisations. Third, we discuss the amplification gain and the detection efficiency. Finally, we give a full overview of the experiment and we present the squeezing results. The last chapter analyses the effects of phase noise on quadrature squeezing and describes a technique to eliminate its effect. First, we discuss the origin of the phase noise for diode laser systems. Second, we derive the observable squeezing taking into account the effects of quasi-static frequency fluctuations. Third, we show how the effects of the phase noise can be eliminated and, last but not least, we compare the theoretical prediction with our experimental results. The outcome of this project is a rubidium resonant source of non-classical light. We characterised the output squeezed vacuum state. The maximum squeezing achieved in the experiment was 2.5dB below shot-noise level. Moreover, we performed an analysis of the effect the phase noise has on the squeezing. The results of this analysis showed that in presence of phase noise we expected that the squeezing level would depend on the relative delay between squeezing and local oscillator path. We experimentally tested this statement performing a measurement of squeezing as a function of the delay between the squeezed light and the local oscillator. The experimental results were consistent with the theory. Apart form building a source of rubidium resonant squeezed light we have proven that the diode laser is a source suitable for production of squeezed light. We provided a theory which treats the effect of phase noise on squeezing in optical parametric oscillator. The experimental squeezing apparatus presented here uses standard techniques which could be applied to a variety of other wavelengths.
I present in this thesis the design, implementation and measurement results of a narrowband quantum light source based on cavity-enhanced Parametric Down-Conversion\n(PDC). Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC) is the workhorse in the field of optical quantum information and quantum computation, yet it is not suitable for applications where deterministic nonlinearities are required due to its low spectral brightness. By\nplacing the nonlinear crystal inside a cavity, the spectrum of down-conversion is actively modified, such that all the non-resonant modes of down-conversion experience destructive interference, while the resonant mode sees constructive interference, resulting in great enhancement in spectral brightness. I design and construct such a cavity-enhanced down-conversion source with record high spectral brightness, making it possible to use cold atoms as the interaction medium to achieve large nonlinearity between photons. The frequency of the photons is tunable and their coherence time is measured to be on the order of 10 nanoseconds, matching the lifetime of the excited state of typical alkali atoms. I characterize extensively the output of the source by measuring the second-order correlation function, quantifying two-photon indistinguishability, performing quantum state tomography of entangled states, and showing different statistics of the source.\n\nThe unprecedented long coherence time of the photon pairs has also made possible the encoding of quantum information in the time domain of the photons. I present a theoretical proposal of multi-dimensional quantum information with such long-coherence-time photons and analyze its performance with realistic parameter settings. I implement this proposal with the quantum light source I have built, and show for the first time that a qutrit can be encoded in the time domain of the single photons. I demonstrate the coherence is preserved for the qutrit state, thus ruling out any classical probabilistic explanation of the experimental data. Such an encoding scheme provides an easy access to multi-dimensional systems and can be used as a versatile platform for many quantum information and quantum computation tasks.