The use of light, especially of laser light, is in many cases the most sensitive way to perform measurements. However, the highest sensitivity that can be achieved with laser light as probe is bounded by the standard quantum limit (SQL). As many instruments are approaching this fundamental limit, it becomes crucial to explore ways to overcome the SQL. Quantum metrology offers the possibilities to increase the sensitivities of the most accurate measurements beyond the SQL by using photonic quantum states of light as a tool. Two well-known classes of quantum states that provide a metrological advantage and break the SQL are squeezed states and a certain class of entangled states, called NOON states. While it is of special interest to apply these quantum states to atomic systems, such as atomic vapors, this requires quantum states of the highest quality in terms of purity, fidelity, brightness, and indistinguishability. Most importantly, for the probing of atomic systems, the quantum states need to be extremely narrowband to match the atomic linewidths. As NOON states are usually generated in a broadband spontaneous parametric down-conversion (SPDC) process, they are not compatible with narrowband atomic resonances. The goal of this thesis was the generation of suitable narrowband entangled and squeezed quantum states of light and their application to atomic systems. To increase the rate of atom-resonant SPDC photons by orders of magnitude, we used a cavity-enhanced setup. Polarization-squeezed states and polarization-entangled NOON states were created. The spectral brightness of the generated NOON states is one of the highest of pairs of indistinguishable photons reported so far. The photon pairs were carefully characterized by full quantum state tomography showing high fidelities with a perfect NOON state. After filtering the photon source output by a novel filter based on the “interaction-free measurement” scheme, a cross-correlation measurement demonstrated its potential as a narrowband heralded single-photon source, needed for example in quantum information. To apply these states in a quantum metrology scheme and to show the metrological advantage, we chose an atomic magnetometer as a model system. The assembled shot-noise-limited magnetometer is based on the Faraday effect in a vapor of hot rubidium atoms. It could be demonstrated that both quantum states perform better in the magnetometer application than any classical state, i.e., they break the SQL. In the case of NOON states, this is the first use of multi-photon coherence in an atomic experiment. In addition to applications in quantum metrology, the presented techniques of quantum-light generation and filtering are also directly applicable to quantum information tasks, especially to the use in quantum memories. El uso de la luz, en particular la luz láser es, en muchos casos, el método que permite realizar mediciones de la manera más sensible. No obstante, la mayor sensibilidad que se puede conseguir gracias a la luz láser como sistema de sondeo queda delimitada por el límite cuántico estándar (SQL). Visto que muchos instrumentos se están acercando a este límite fundamental, es crucial explorar formas de superar el SQL. La metrología cuántica ofrece la posibilidad de incrementar la sensibilidad de las medidas más precisas más allá del SQL empleando los estados cuánticos de luz como herramienta. Dos categorías conocidas de estados cuánticos que brindan una ventaja metrológica y rompen con el SQL son los estados “comprimidos” y ciertas categorías de estados entrelazados llamados estados “NOON”. Aunque es de especial interés aplicar estos estados cuánticos a los sistemas atómicos, como a los vapores atómicos, se requieren estados cuánticos de óptima calidad en términos de pureza, fidelidad, luminosidad e identidad. Lo más importante para los sistemas atómicos de investigación es que los estados cuánticos sean de banda extremadamente estrecha para que coincidan con el ancho de banda de átomos. Puesto que los estados NOON suelen ser generados en un proceso de conversión espontánea paramétrica descendente (SPDC) de banda ancha, no son compatibles con las resonancias atómicas de banda estrecha. El objeto de esta tesis fue la generación de estados cuánticos de luz apropiados de banda estrecha, entrelazados y comprimidos, y su aplicación en los sistemas atómicos. Para incrementar el número de fotones generados por SPDC resonantes con la transición atómica por órdenes de magnitud, se empleó un sistema aumentado por un resonador. Se crearon estados de polarización comprimida y estados NOON de polarización entrelazada. La luminosidad espectral de los estados NOON generada supone una de las más altas que se hayan reportado hasta el momento entre pares de fotones idénticos. Los pares de fotones fueron cuidadosamente caracterizados por medio de una tomografía completa del estado cuántico que muestra la gran fidelidad con un estado NOON perfecto. Después de filtrar la producción de la fuente de fotones por medio de un novedoso filtro basado en el esquema “interaction-free measurement”, una medida de correlación cruzada demostró su potencial como fuente de fotones individuales anunciados de banda estrecha que resulta necesaria, por ejemplo, en la información cuántica. Para aplicar estos estados en un esquema de metrología cuántica y demostrar la ventaja metrológica, elegimos un magnetómetro atómico como sistema modelo. El montaje del magnetómetro delimitado por el límite cuántico estándar se basa en el efecto Faraday en un vapor de átomos de rubidio calientes. Se podía demostrar que el comportamiento de ambos estados cuánticos es superior en la aplicación con el magnetómetro que cualquier estado clásico, es decir, que superan el SQL. En el caso de los estados NOON, este es el primer uso de la coherencia multifotónica en un experimento atómico. Además de las aplicaciones en la metrología cuántica, las técnicas presentadas de generación de luz cuántica y filtración también son directamente aplicables a las tareas de información cuántica, en especial al uso en las memorias cuánticas.
The use of light, especially of laser light, is in many cases the most sensitive way to perform measurements. However, the highest sensitivity that can be achieved with laser light as probe is bounded by the standard quantum limit (SQL). As many instruments are approaching this fundamental limit, it becomes crucial to explore ways to overcome the SQL. Quantum metrology offers the possibilities to increase the sensitivities of the most accurate measurements beyond the SQL by using photonic quantum states of light as a tool. Two well-known classes of quantum states that provide a metrological advantage and break the SQL are squeezed states and a certain class of entangled states, called NOON states. While it is of special interest to apply these quantum states to atomic systems, such as atomic vapors, this requires quantum states of the highest quality in terms of purity, fidelity, brightness, and indistinguishability. Most importantly, for the probing of atomic systems, the quantum states need to be extremely narrowband to match the atomic linewidths. As NOON states are usually generated in a broadband spontaneous parametric down-conversion (SPDC) process, they are not compatible with narrowband atomic resonances. The goal of this thesis was the generation of suitable narrowband entangled and squeezed quantum states of light and their application to atomic systems. To increase the rate of atom-resonant SPDC photons by orders of magnitude, we used a cavity-enhanced setup. Polarization-squeezed states and polarization-entangled NOON states were created. The spectral brightness of the generated NOON states is one of the highest of pairs of indistinguishable photons reported so far. The photon pairs were carefully characterized by full quantum state tomography showing high fidelities with a perfect NOON state. After filtering the photon source output by a novel filter based on the “interaction-free measurement” scheme, a cross-correlation measurement demonstrated its potential as a narrowband heralded single-photon source, needed for example in quantum information. To apply these states in a quantum metrology scheme and to show the metrological advantage, we chose an atomic magnetometer as a model system. The assembled shot-noise-limited magnetometer is based on the Faraday effect in a vapor of hot rubidium atoms. It could be demonstrated that both quantum states perform better in the magnetometer application than any classical state, i.e., they break the SQL. In the case of NOON states, this is the first use of multi-photon coherence in an atomic experiment. In addition to applications in quantum metrology, the presented techniques of quantum-light generation and filtering are also directly applicable to quantum information tasks, especially to the use in quantum memories. El uso de la luz, en particular la luz láser es, en muchos casos, el método que permite realizar mediciones de la manera más sensible. No obstante, la mayor sensibilidad que se puede conseguir gracias a la luz láser como sistema de sondeo queda delimitada por el límite cuántico estándar (SQL). Visto que muchos instrumentos se están acercando a este límite fundamental, es crucial explorar formas de superar el SQL. La metrología cuántica ofrece la posibilidad de incrementar la sensibilidad de las medidas más precisas más allá del SQL empleando los estados cuánticos de luz como herramienta. Dos categorías conocidas de estados cuánticos que brindan una ventaja metrológica y rompen con el SQL son los estados “comprimidos” y ciertas categorías de estados entrelazados llamados estados “NOON”. Aunque es de especial interés aplicar estos estados cuánticos a los sistemas atómicos, como a los vapores atómicos, se requieren estados cuánticos de óptima calidad en términos de pureza, fidelidad, luminosidad e identidad. Lo más importante para los sistemas atómicos de investigación es que los estados cuánticos sean de banda extremadamente estrecha para que coincidan con el ancho de banda de átomos. Puesto que los estados NOON suelen ser generados en un proceso de conversión espontánea paramétrica descendente (SPDC) de banda ancha, no son compatibles con las resonancias atómicas de banda estrecha. El objeto de esta tesis fue la generación de estados cuánticos de luz apropiados de banda estrecha, entrelazados y comprimidos, y su aplicación en los sistemas atómicos. Para incrementar el número de fotones generados por SPDC resonantes con la transición atómica por órdenes de magnitud, se empleó un sistema aumentado por un resonador. Se crearon estados de polarización comprimida y estados NOON de polarización entrelazada. La luminosidad espectral de los estados NOON generada supone una de las más altas que se hayan reportado hasta el momento entre pares de fotones idénticos. Los pares de fotones fueron cuidadosamente caracterizados por medio de una tomografía completa del estado cuántico que muestra la gran fidelidad con un estado NOON perfecto. Después de filtrar la producción de la fuente de fotones por medio de un novedoso filtro basado en el esquema “interaction-free measurement”, una medida de correlación cruzada demostró su potencial como fuente de fotones individuales anunciados de banda estrecha que resulta necesaria, por ejemplo, en la información cuántica. Para aplicar estos estados en un esquema de metrología cuántica y demostrar la ventaja metrológica, elegimos un magnetómetro atómico como sistema modelo. El montaje del magnetómetro delimitado por el límite cuántico estándar se basa en el efecto Faraday en un vapor de átomos de rubidio calientes. Se podía demostrar que el comportamiento de ambos estados cuánticos es superior en la aplicación con el magnetómetro que cualquier estado clásico, es decir, que superan el SQL. En el caso de los estados NOON, este es el primer uso de la coherencia multifotónica en un experimento atómico. Además de las aplicaciones en la metrología cuántica, las técnicas presentadas de generación de luz cuántica y filtración también son directamente aplicables a las tareas de información cuántica, en especial al uso en las memorias cuánticas.
Nowadays there is a considerable progress in optical magnetometry and spin noise spectroscopy, which use magnetically-sensitive atomic ensembles and optical read-out, approaching the limits set by quantum mechanics. In recent years optical magnetometers have become the most sensitive instruments for measuring low-frequency magnetic fields, achieving sub-femtotesla sensitivity and surpassing the competitive superconducting quantum interference devices (SQUIDs), and have found applications in biomedicine, geophysics, space science as well as in tests of fundamental physics. Another emerging technique is spin noise spectroscopy (SNS), which allows one to determine physical properties of an unperturbed spin system from its power noise spectrum. In the last decade technological advances like real-time spectrum analyzers and shot-noise-limited detectors have allowed improvements in the sensitivity of spin noise detection leading to a broad range of applications in both atomic and solid state physics. The main goal of this thesis is to address a major outstanding question: whether squeezed light can improve the sensitivity of atomic sensors under optimal sensitivity conditions, typically in a high-density regime due to the statistical advantage of using more atoms. Firstly, we describe the design, construction and characterization of a new versatile experimental apparatus for the study of squeezed-light atomic spectroscopy within a high-density regime (n=¿10¿^12 ¿cm¿^(-3)) and low-noise (¿pT/vHz) magnetic environment. The new experimental system is combined with an existing source of polarization squeezed light based on spontaneous parametric down conversion (SPDC) in a nonlinear crystal, which is the active medium of an optical parametric oscillator. Secondly, we report the first experimental demonstration of quantum-enhanced spin noise spectroscopy of natural abundance Rb via polarization squeezing of the probe beam. We found that input squeezing of 3.0 dB improves the signal-to-noise ratio by 1.5 dB to 2.6 dB over the combined (power¿number density) ranges (0.5 mW to 4.0 mW) ¿ (1.5 ׿10¿^12 ¿cm¿^(-3) to 1.3 ׿10¿^13 ¿cm¿^(-3)), covering the ranges used in optimized spin noise spectroscopy experiments. We also show that squeezing improves the trade-off between statistical sensitivity and broadening effects. Next, we introduce a novel theoretical model by defining a standard quantum limit (SQL) for optically-detected noise spectroscopy, identified as a bound to the covariance of the parameters estimated by fitting power noise spectra. We test the model for spin noise spectroscopy of natural abundance Rb and we demonstrate experimental performance of SNS at the SQL for a coherent probe and below the SQL for a polarization squeezed probe. Finally, we report an optical magnetometer based on amplitude modulated optical rotation (AMOR), using a 85Rb vapor cell, that achieves room temperature sensitivity of 70 fT/vHz at 7.6 µT and we demonstrate its photon shot-noise-limited (SNL) behaviour from 5 µT to 75 µT. While no quantum resources of light were used in this second experiment, the combination of best sensitivity, in the class of room-temperature scalar Hoy en día existe un considerable progreso en la magnetometría óptica y espectroscopía de ruido de espin, que utilizan conjuntos atómicos magnéticamente sensibles y lectura óptica, acercándose a los límites establecidos por la mecánica cuántica. En los últimos años los magnetómetros ópticos se han convertido en los instrumentos más sensibles para medir los campos magnéticos de baja frecuencia, logrando sensibilidad de sub-femtotesla y superando dispositivos como los superconductores de interferencia cuántica (SQUID), y han encontrado aplicaciones en biomedicina, geofísica, ciencia espacial, así como en varias pruebas de física fundamental. Otra técnica emergente es la espectroscopía de ruido de espin (SNS), que permite determinar las propiedades físicas de un sistema de espin sin perturbarlo por medio de su espectro de potencia de ruido. En la última década, los avances tecnológicos como analizadores de espectro en tiempo real y detectores limitados por el ruido de disparo de fotón han permitido mejoras en la sensibilidad de detección de ruido de spin que conduce a una amplia gama de aplicaciones tanto en la física del estado sólido como en la física atómica. El objetivo principal de esta tesis es responder a una cuestión pendiente e importante: si la "luz comprimida" puede mejorar la sensibilidad de los sensores atómicos en condiciones óptimas para la sensibilidad, típicamente en un régimen de alta densidad debido a la ventaja estadística de utilizar más átomos. En primer lugar, se describe el diseño, construcción y caracterización de un nuevo aparato experimental versátil para el estudio de la espectroscopia atómica con luz comprimida dentro de un régimen de alta densidad (n=¿10¿^12 ¿cm¿^(-3)) y bajo nivel de ruido magnético (¿pT/vHz). El nuevo sistema experimental se combina con una fuente existente de luz comprimida en polarización, basado en el proceso de conversión paramétrica espontánea descendente (SPDC) en un cristal no lineal, que es el medio activo de un oscilador paramétrico óptico. En segundo lugar, se presenta la primera demostración experimental de espectroscopía de espin de Rubidio, en abundancia natural, mejorada a través de la compresión en polarización de la luz de prueba. Se encontró que la entrada de 3.0 dB de luz comprimida mejora la relación señal-ruido de 1.5 dB a 2.6 dB en el intervalo combinado (potencia óptica)¿(densidad atómica) de (0.5 mW to 4.0 mW) ¿ (1.5׿10¿^12 ¿cm¿^(-3) to 1.3׿10¿^13 ¿cm¿^(-3)), que cubre rangos utilizados en los experimentos optimizados de espectroscopía de ruido de espin. También mostramos que la luz comprimida mejora el equilibrio entre la sensibilidad estadística y efectos de ampliación de la resonancia. A continuación, se introduce un nuevo modelo teórico con la definición de un límite cuántico estándar (SQL) para la espectroscopía de ruido detectado ópticamente, identificado como un límite a la covarianza de los parámetros estimados mediante el ajuste de los espectros de potencia de ruido. Probamos el modelo para la espectroscopia de ruido de espin en abundancia natural de rubidio y demostramos el rendimiento experimental de la espectroscopia de ruido al límite cuántico estándar para una haz coherente y por debajo del SQL para una haz de luz comprimida en polarización. Por último, se presenta un magnetómetro óptico basado en rotación óptica modulada en amplitud (AMOR), utilizando una celda de vapor de 85Rb, que logra sensibilidad a la temperatura ambiente de 70 fT/vHz a 7.6 µT y demostramos su limite de ruido de disparo de fotón (SNL) en el intervalo de 5 µT a 75 µT. Si bien no se utilizaron recursos cuánticos de la luz en este segundo experimento, la combinación de la mejor sensibilidad, en la clase de los magnetómetros escalares de temperatura ambiente, y con operación al limite de ruido de disparo hace que el sistema sea un candidato prometedor para la aplicación de luz comprimida a un magnetómetro óptico optimizado con mejor sensibilidad en la clase
espanolSe describe nuestro mas reciente trabajo en metrologia cuantica usando sistemas atomicos y fotonicos para medir con una sensibilidad por encima del limite cuantico estandar, es decir, por encima de el limite impuesto por el ruido de disparo y el ruido de proyeccion. Demostramos dos sistemas de magnetometria optica que emplean atomos de rubidio como sensores del campo, leyendo opticamente los atomos por la rotacion de Faraday. El primero, formado por atomos calientes, opera mas alla del limite de la sensibilidad por el ruido de disparo, usando como haz de prueba luz polarizada comprimida. El segundo, un magnetometro de atomos frios de siguiente generacion, opera con principios similares pero con un alto control en los atomos. Demostramos medidas cuanticas no destructivas del espin colectivo de la nube de atomos y que estan en el limite de la sensibilidad tanto del ruido de disparo como del ruido de proyeccion. EnglishWe describe our recent work in quantum metrology using atomic and photonic systems for measurements with sensitivity beyond the standard quantum limit, e.g., beyond the shot-noise and projection-noise limits. We demonstrate two optical magnetometry systems using rubidium atoms as field sensors, with optical read-out by paramagnetic Faraday rotation. Our hot-atom magnetometer operates beyond the shot-noise limit of sensitivity using a polarization-squeezed optical probe. Our next-generation cold-atom magnetometer operates on similar principles but with much greater atomic control. We demonstrate quantum-non-demolition measurement of the collective spin of the atom cloud at both the shot-noise and projection-noise limits of sensitivity
En esta tesis doctoral estudiamos el fenomeno de la polarizacion para campos cuanticos. En el caso de campos clasicos el estado de polarizacion es elegantemente visualizado por medio de la esfera de Poincare, y la polarizacion se cuantifica por medio de los parametros de Stokes. Estos son cantidades medibles que permiten la ordenacion de los estados de la luz segun su grado de polarizacion. Hasta cierto punto, este formalismo es extensible al caso cuantico, donde se definen los operadores de Stokes, cuyos valores esperados coinciden con los parametros de Stokes. Por analogia con el caso clasico, en el cual el grado de polarizacion se define como la longitud del vector de Stokes, podriamos definir en optica cuantica el grado de polarizacion de esta misma forma sustituyendo los parametros de Stokes por el valor promedio de los operadores de Stokes. Sin embargo, esta definicion tiene importantes inconvenientes. Se trata de una cantidad clasica que no distingue entre campos cuanticos con significativas diferencias en cuanto a su polarizacion. La apreciacion de los sutiles efectos que surgen en el mundo cuantico requiere del escrutinio de las fluctuaciones de polarizacion de mayor orden (mas alla de las correlaciones de segundo orden en los campos que son las unicas tenidas en cuenta en el tratamiento estandar de la polarizacion en optica clasica). La forma mas inmediata de conseguir esto es expandiendo el sector de polarizacion del estado (la parte del operador densidad que es accesible mediante medidas de polarizacion) en multipolos. Una vez hecho el desarrollo en multipolos, vemos como estos estan relacionados con las cantidades medibles en el laboratorio. La distribucion de probabilidad para estos multipolos proporciona asi una informacion completa sobre las propiedades de polarizacion de cualquier estado y, en terminos de estos, proponemos una medida adecuada para la evaluacion cuantitativa de las fluctuaciones de la polarizacion. En particular, resulta conveniente la introduccion de lo que denominamos distribucion acumulativa, que contiene la informacion de polarizacion hasta el orden M. Es remarcable que, dentro de un subespacio con un numero definido de fotones, los estados coherentes de SU(2) son los estados que alcanzan el valor maximo de la distribucion acumulativa para cualquier orden M. El caso contrario en el que esta distribucion se anula hasta dicho orden es el de los estados despolarizados a M orden. Existe un amplio consenso en considerar los estados coherentes como los estados con propiedades mas clasicas. Es irresistible preguntarse por los estados que minimizan esta distribucion acumulativa, ya que estos estados son lo opuesto a los estados coherentes de SU(2) y, por tanto, son los estados mas no-clasicos permitidos por la teoria cuantica. En esta tesis calculamos esos estados, a los que denominamos Reyes Cuanticos, por medio de metodos computacionales que hacen uso de las bases de Grobner. Ademas, empleamos la representacion de Majorana para obtener una valiosa imagen geometrica de estos estados. Mientras la representacion de Majorana para un estado coherente de SU(2) corresponde a un unico punto (degenerado) en la esfera unidad, los Reyes Cuanticos estan representados por constelaciones de Majorana con los puntos situados de una forma muy simetrica alrededor de la esfera. Estudiamos las relaciones entre estas constelaciones de Majorana y los t-disenos esfericos. La evidencia numerica nos hace conjeturar que el maximo orden de despolarizacion posible para un estado de N fotones coincide con el grado t de un t-diseno esferico optimo con N puntos. Finalmente, estudiamos las posibles aplicaciones de estos estados extremos con especial atencion a su utilidad en metrologia cuantica.
En la presente tesis se aborda el procesado cuantico de informacion en sistemas opticos cuanticos. El trabajo se centra en el dominio de la electrodinamica cuantica en cavidades (cavity-QED) donde el campo electromagnetico constituido por unos pocos fotones se encuentra confinado en una cavidad consistente en dos espejos de alta calidad alineados de forma que sea posible confinar los modos resonantes durante tiempos lo suficientemente elevados como para que la interaccion luz-materia pueda ser relevante. En cavity-QED es posible reducir la interaccion luz-materia al caso mas simple: el modelo de Jaynes-Cummings, donde unos pocos atomos pueden interaccionar con un unico modo de radiacion confinado en una cavidad. Tipicamente, el sistema cuantico esta constituido por los estados cuanticos del atomo y el campo electromagnetico, por ejemplo: el numero de fotones de cada polarizacion. En este contexto, y considerando sistemas atomicos de tres niveles proponemos unos modelos para realizar ingenieria cuantica en cavity-QED. Por un lado, proponemos la realizacion de una puerta logica cuantica de fase para dos pulsos cuanticos de luz ortogonales en polarizacion. Asimismo, considerando estados del campo de radiacion en un estado coherente o semi-clasico es posible crear estados de fotones entrelazados en polarizacion mediante la aplicacion de la puerta de fase. Por otro lado, proponemos un nuevo mecanismo para crear pares de fotones entrelazados, constituido por un atomo de tres niveles interaccionando, sucesivamente, con los modos confinados en dos cavidades. Esta ultima propuesta tiene un gran interes por su posible aplicacion a la criptografia cuantica. El estudio de la dinamica de los modelos propuestos se ha realizado mediante las formulaciones: matriz densidad, ecuacion de Schrodinger y el metodo de los saltos cuanticos. Estos metodos permiten obtener resultados realistas puesto que incorporan la presencia de procesos
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.