Líneas de investigación del Grupo UCM de Física del Láser, Óptica Cuántica y Óptica No Lineal
Miguel Ángel Antón Revilla, Francisco Yánez, Eduardo Cabrera Granado, Fernando Carreño Sánchez, José Miguel Ezquerro Rodríguez, Óscar G. Calderón, Isabel Gonzalo Fonrodona, J.M. Pérez, Sonia Melle, Miguel Odín Soler Rus, Margarita María Sánchez Balmaseda, Rosa Talavera
En este trabajo presentamos las líneas de investigación del Grupo de Física del Láser, Óptica Cuántica y Óptica No Lineal de la UCM. La investigación comprende trabajos experimentales y teóricos en el desarrollo de prototipos de láser, análisis de inestabilidades espacio-temporales en láseres de gran apertura, el estudio de propagación de radiación en régimen de luz lenta y de pulsos ultracortos en medios resonantes y no resonantes, la generación de radiación por procesos no lineales y el estudio de memorias ópticas por eco fotónico.
En este trabajo presentamos las líneas de investigación del Grupo de Física del Láser, Óptica Cuántica y Óptica No Lineal de la UCM. La investigación comprende trabajos experimentales y teóricos en el desarrollo de prototipos de láser, análisis de inestabilidades espacio-temporales en láseres de gran apertura, el estudio de propagación de radiación en régimen de luz lenta y de pulsos ultracortos en medios resonantes y no resonantes, la generación de radiación por procesos no lineales y el estudio de memorias ópticas por eco fotónico.
En este trabajo se presenta una breve descripcion de los principales resultados del trabajo de investigacion desarrollado por nuestro grupo en optica integrada cuantica. La principales lineas de investigacion del grupo siempre han estado en la optica integrada y en los ultimos anos se han desarrollado ademas varios estudios cuanticos teoricos y aplicados de dispositivos opticos integrados lineales y no lineales. Estos estudios han tenido como principal objetivo el analisis teorico riguroso tanto de la propagacion como de la caracterizacion de estados de luz cuantica en dispositivos de guia de onda mediante el operador Momento y las ecuaciones espaciales de Heisenberg, y tambien mediante propagadores opto-cuanticos calculados con el formalismo de Feynman sobre el espacio multimodo de campo optico. En este espacio las distribuciones de probabilidad estan bien definidas y ademas pueden medirse mediante tecnicas de deteccion homodina y/o heterodina multimodo. Asimismo se indican algunas lineas de investigacion futura tanto teorica como experimental sobre optica integrada cuantica.
Esta tesis aborda el estudio y desarrollo de dispositivos ópticos integrados para la generación de fotones mediante procesos no lineales de tercer orden, con aplicaciones en el campo de la fotónica cuántica. En la actualidad, el estudio de fuentes de fotones individuales integradas ha cobrado gran relevancia debido a sus ventajas inherentes, tales como la miniaturización y la compatibilidad con las tecnologías de microfabricación derivadas de la microelectrónica. Además, el uso de materiales con propiedades no lineales, como el silicio, el nitruro de silicio y el niobato de litio, ha impulsado nuevas oportunidades en el diseño y fabricación de dispositivos fotónicos. El trabajo se divide en dos ejes principales. Por un lado, el diseño, fabricación y caracterización de dispositivos propios, eje desarrollado en el grupo de Fotónica Integrada del Centro de Investigaciones Ópticas, con la fabricación de dispositivos en el foundry CORNERSTONE. Y por otro, la caracterización de dispositivos complejos en colaboración con el Quantum Photonics Laboratory de la Universidad de Pavia, Italia. Inicialmente, se exploraron las herramientas de simulación disponibles para el diseño de dispositivos fotónicos integrados y se realizó una revisión exhaustiva del estado del arte sobre generación de fotones en plataformas fotónicas. A partir de estos estudios, se diseñaron circuitos fotónicos basados en anillos resonadores y acopladores interferométricos resonantes, optimizados para la generación de pares de fotones mediante el proceso de mezclado de cuatro ondas espontáneo (SFWM). Los dispositivos fueron fabricados utilizando tecnologías de silicio sobre aislante y nitruro de silicio, con distintas estrategias de acople y configuraciones de guías de onda. Posteriormente, se llevaron a cabo caracterizaciones experimentales tanto lineales como no lineales para evaluar la eficiencia y pureza espectral de las fuentes de fotones. Entre los resultados obtenidos, se destaca la optimización de parámetros clave, como el factor de calidad de los resonadores y la tasa de coincidencia de pares de fotones, fundamentales para aplicaciones en información cuántica.
En la actualidad existen tecnologías cuánticas que requieren de la disponibilidad de fuentes de luz no-clásica eficientes. El fenómeno de generación paramétrica descendente espontánea (SPDC) constituye un método práctico para la generación de este tipo de luz. Este método está basado en la interacción de campos electromagnéticos clásicos con materiales no-lineales por medio de procesos paramétricos. En general, el SPDC se ha utilizado e implementado experimentalmente para la generación de parejas de fotones utilizando materiales no-lineales de segundo y tercer orden. En la última década se ha buscado la manera de obtener múltiples fotones enredados. En este trabajo se presenta un estudio teórico del proceso de generación paramétrica espontánea descendente de tercer orden (TOSPDC) en materiales con una no-linealidad caracterizada por X(3), en donde se generan ternas de fotones enredados. De manera específica, consideramos la utilización de fibras ópticas ultra-delgadas como el medio no-lineal para el proceso de TOSPDC, en configuraciones en donde el empatamiento de fases se logra mediante el uso de diferentes modos transversales de propagación de la fibra, en particular cuando la luz generada se propaga en el modo fundamental y el bombeo en el primer modo excitado. Este trabajo está enfocado en proponer diseños de fuentes de ternas de fotones TOSPDC con los detalles necesarios, de tal manera que puedan ser implementados de manera experimental. Nuestro trabajo de investigación se enfoca en la descripción teórica del estado de tres fotones y en las características de empatamiento de fases de TOSPDC. Además se hace un análisis de la tasa de emisión de las fuentes propuestas en relación con los parámetros experimentales clave, como lo son la longitud de la fibra, el ancho de banda y la potencia de bombeo para cada una de las fuentes propuestas: casos de generación TOSPDC degenerada en frecuencia y no-degenerada en frecuencia. De manera adicional, se hace un estudio preliminar sobre las condiciones de empatamiento de velocidad de grupo para así lograr un control sobre las propiedades de enredamiento de las ternas de fotones emitidas.
El proposito general de esta tesis es estudiar, mediante simulaciones numericas, la propagacion de haces de luz laser en los denominados medios opticos cubico-quimicos (C-Q). Estos materiales se caracterizan por tener un indice de refraccion que depende de la potencia del haz de luz incidente, de tal manera que es autoenfocante para intensidades bajas y autodesenfocante para intensidades altas. En este tipo de medios la luz adquiere unas propiedades fisicas similares a las de los fluidos habituales, como la existencia de vortices estables y de tension superficial. Este proceso puede interpretase como una transicion de fase de un gas de fotones a un 'liquido de luz'.
En primer lugar se ha estudiado, de manera teorica, como utilizar un sistema atomico de cuatro niveles con transparencia inducida electromagneticamente (EIT) para alcanzar una situacion con susceptibilidades de tercer y quinto orden gigantescas y de signo opuesto. Una eleccion adecuada de los parametros permite obtener condensados de luz bidimensionales estables. Nuestros resultados teoricos podrian ser la base para experimentos reales en optica no lineal con laseres continuos de mW.
Para la determinacion de indices de refraccion no lineales, se ha considerado la tecnica de Z scan. Se ha desarrollado una teoria simple basada en el metodo de los momentos, que permite ajustar los datos experimentales de Z scan.
Se han obtenido los estados estacionarios de la ecuacion no lineal de Schrodinger C-Q, para diferentes potencias del haz, y se han formulado experimentos ideales para estudiar su dinamica. Las propiedades fisicas del estado resultante, como tension superficial, son similares a las de los fluidos habituales.
Despues se ha realizado una comparacion entre los estados estacionarios del medio C-Q y los que se obtienen para el sistema atomico de cuatro niveles con EIT, obteniendo resultados muy similares.
Posteriormente se han calculado estados ti
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.
En este trabajo de tesis se apunta a desarrollar herramientas que posibiliten la descripción de sistemas físicos de interés en información cuántica. El marco teórico de las investigaciones está dado por la teoría de la información, la mecánica cuántica y la geometría diferencial. Las investigaciones propuestas están principalmente vinculadas al interés en la naturaleza de los objetos y procesos coherentes en física, en particular focalizado en la noción de coherencia cuántica. La coherencia cuántica en sistema de muchos cuerpos representa la esencia del entrelazamiento y es un ingrediente indispensable para una multitud de fenómenos físicos en óptica cuántica, información cuántica, física de estado sólido y termodinámica a bajas temperaturas. Los estados entrelazados y el fenómeno de coherencia juegan un rol central en las ciencias de la información cuántica, cuyo desarrollo en los últimos años ha alcanzado gran relevancia a nivel global y constituye uno de los temas prioritarios de estudio en centros de investigación destacados de todo el mundo. En escenarios realistas, tales como sistemas cuánticos abiertos, la coherencia es afectada por el ruido ambiente, de acuerdo al fenómeno de decoherencia; la descripción de procesos físicos de decoherencia es un área de estudio muy activa. Para el estudio de procesos coherentes en sistemas cuánticos resulta fundamental contar con medidas apropiadas que permitan cuantificar el grado de coherencia. Se han establecido algunas propiedades que tales medidas deberían satisfacer, notando que la caracterización cuantitativa de coherencia necesita aún atención y un análisis más exhaustivo y amplio. Los objetivos específicos son explorar cuantificadores alternativos de coherencia utilizando medidas de información, lograr caracterizarla en el marco de la teoría de recursos mediante la propiedad de mayorización y avanzar sobre formulaciones geométricas y entrópicas del principio de incerteza desarrolladas por el grupo, estudiando su conexión con la coherencia cuántica.