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.
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 fenómeno de downconversion paramétrico (PDC) constituye un método prácticopara la generación de luz no-clásica. Las parejas de fotones generadas por el procesode PDC muestran correlaciones cuánticas, también conocidas como enlazamientocuántico, en los grados de libertad continuos (frecuencia, dirección de propagación einstante de emisión). El PDC muestra una gran versatilidad en las característicasde enlazamiento cuántico al variar los parámetros de la fuente. La manipulación deestas características cobra gran importancia debido, por un lado, a la existencia deun conjunto de aplicaciones que requieren de la ausencia de enlazamiento cuánticoy por otro lado, de un segundo conjunto de aplicaciones que explotan la presenciade enlazamiento cuántico con características específicas. Este trabajo está enfocadoal desarrollo de técnicas que permitan el acondicionamiento de las características enestados de dos fotones generados por PDC. Se estudia la utilización de cristales fotónicosno lineales unidimensionales como fuentes de PDC, explotando la modificación, conrespecto a la dispersión material, en las propiedades dispersivas en las inmediaciones dela condición de Bragg. Se encontró un conjunto de condiciones que deberá cumplirsepara garantizar la emisión de parejas de fotones esencialmente factorizables, dondela principal condición es el empatamiento total de velocidad de grupo entre las tresondas involucradas. Lo último se puede logar al explotar el mayor número de grados delibertad presentes para cristales fotónicos no lineales, en comparación con los cristales nolineales convencionales. Utilizando descomposiciones de Schmidt númericas, se pudoconfirmar que para ciertas combinaciones de parámetros experimentales, es posibleemitir estados de dos fotones que son esencialmente factorizables.
El proceso de downconversion paramétrico espontáneo (SPDC) es un fenómeno que requiere de una descripción en términos del campo electromagnético cuantizado y es utilizado en la práctica como fuente de luz no clásica. La pareja de fotones generados exhiben correlaciones en número de fotones y en grados de libertad fotónicos continuos como la frecuencia, la dirección de propagación y el instante de emisión, y además, pueden exhibir correlaciones no-clásicas, conocidas también como enlazamiento cuántico que es una característica específica de los sistemas cuánticos. El objetivo de este trabajo es el estudio, numérico y experimental, de la tasa de emisión del flujo de SPDC en un cristal de niobato de litio periódicamente polarizado (PPLN), en función de la longitud efectiva del cristal. Por la dificultad de fabricar varios cristales con diferentes longitudes no existen estudios previos. El cristal fabricado como parte de este trabajo tiene forma rectangular con un área activa no lineal en forma triangular de tal manera que se tiene acceso a un intervalo de longitudes efectivas del cristal al desplazar el haz de bombeo lateralmente. Esta tesis se enfocó en el caso degenerado en la configuración de desempatamiento de fases del tipo-I, y donde ∆k 6= 0. La ecuación que describe la tasa de emisión del flujo del SPDC es obtenida siguiendo la teoría en la cual se modelan clásicamente las fluctuaciones cuánticas del vacío mediante una señal débil presente en todas las frecuencias. Los resultados del análisis numérico muestran diferentes dependencias del flujo de SPDC respecto a la longitud efectiva del cristal dependiendo de las características del desempatamiento de fases, el cual puede ser modificada a través de la temperatura. Para el caso específico que estudiamos en esta tesis, tenemos que los comportamientos de las curvas de la potencia del SPDC vs. la longitud efectiva del cristal van ser lineales a no lineales en el intervalo de 20◦C a 40◦C; pero con temperaturas superiores a 40◦C se observa el fenómeno de interferencia. La interferencia, en este caso, significa que las contribuciones al flujo del SPDC de diferentes porciones del cristal pueden interferir construtiva o destructivamente; esto se traduce en variaciones o incluso en oscilaciones de la potencia del SPDC vs. longitud efectiva del cristal. La no linealidad de las curvas se acentúa conforme la apertura es cada vez más pequeña. En este caso particular, la temperatura en la cual se observa interferencia disminuye (o aumenta) conforme la longitud de onda del bombeo es menor a (mayor a) 944nm, la cual es la longitud de referencia para el presente trabajo. Se utilizaron dos arreglos experimentales, uno para medir directamente el flujo del SPDC y el otro para medir espectralmente resuelto el flujo del SPDC. Con el primer arreglo se logro reproducir los comportamientos encontrados en el an´alisis num´erico salvo por un factor num´erico. Finalmente se observa, en el an´alisis num´erico, diferentes comportamientos de los espectros al variar el desempatamiento de fases, comportamientos que son reproducidos con el segundo arreglo experimental, nuevamente, salvo por un factor num´erico.
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.
Actualmente, numerosos experimentos de Óptica Cuántica utilizan cristales no lineales (LiIO3, BBO, etc.) como fuente de fotones entrelazados, aprovechando el fenómeno de Conversión Paramétrica Espontánea Descendente(SPDC). Para ello se incide sobre el cristal con un láser de bombeo y se obtienen a la salida pares de fotones de menor energía, que dependiendo del corte del cristal, forman dos conos coaxiales, en el caso decristales de tipo I, o dos conos desplazados, para cristales de tipo II. El ángulo de salida de estos pares de fotones, para cada longitud de onda, depende del ángulo de incidencia del haz de bombeo, respecto de la dirección del eje óptico del cristal. Conocer esta dependencia es crucial para ubicar correctamente los detectores de fotones necesarios en cualquier experimento. En este trabajo se implementaron dos métodos distintos de caracterización de cristales no lineales para ser utilizados para SPDC. A modo de ejemplo se presentan los resultados de la caracterización de doscristales tipo I con espesores bien diferentes: un cristal LiIO3 de 10 mm de espesor y un BBO de 2 mm de espesor. Para el primero, se midió la distribución angular delos fotones convertidos en función de su longitud de onda y del ángulo de incidencia del haz de bombeo mediante la medición directa de los conos. Los resultados experimentales coinciden con los predichos por un software desarrollado paratal fin (NIST Phasematch) con discrepancias menores al 10%. Para el cristal de menor espesor la intensidad de los conos disminuye apreciablemente, por loque el método se vuelve impreciso y es necesario implementar un método alternativo. Se utilizó en este caso un segundo método de caracterización, basado en interferometría cromática de polarización, que nos permitió determinar la dirección del eje óptico con una precisión del 0.5% y el espesor del cristal con una precisión del 1%y, en forma indirecta, la distribución angular de los fotones convertidos. Los valores medidos están en muy buen acuerdo con los proporcionados por el fabricante.
Los qudits espaciales son sistemas cuánticos de dimensión D en donde la información se encuentra codificada en los grados de libertad de posición y momento transversal de fotones individuales. Si bien momento y posición son variables continuas, pueden utilizarse, por medio de una discretización adecuada, para definir estados cuánticos de dimensión finita arbitraria. Este método se basa en el uso de un arreglo de D rendijas, lo que determina el número de posibles caminos seguidos por el fotón. En este trabajo se presenta un nuevo método para preparar estados cuánticos puros arbitrarios de dimensión D utilizando un único modulador espacial de luz (SLM) trabajando en modo de fase. Con el fin de estudiar la fidelidad del proceso hemos implementado el método para un gran número de estados de dimensión 2 cubriendo la esfera de Bloch. Como ejemplos adicionales, mostramos la flexibilidad del método para implementar qudits de mayor dimensión en los casos D = 3 y7. Esta nueva configuración, además de más simple, compacta, menos costosa y de eliminar problemas de alineado, reduce ampliamente las pérdidas luminosas, lo cual es relevante al trabajar con fotones individuales generados por conversión paramétrica espontánea descendente (SPDC)
El proceso de absorción de pares de fotones correlacionados (ETPA, por sus siglas en inglés) ha ganado relevancia con el tiempo gracias a las diversas aplicaciones que posee tanto en física como en biología. En este trabajo se mide experimentalmente la probabilidad de ETPA a partir de la sección eficaz de absorción de pares de fotones correlacionados en la molécula de Rodamina B para dos concentraciones en solución de Metanol. La fuente de fotones correlacionados se obtiene por el proceso de conversión paramétrica espontánea (SPDC, por sus siglas en inglés). Esta fuente se caracteriza, en función de la potencia del bombeo y de la potencia de los pares de fotones, mediante un sistema de detección de coincidencias de los pares de fotones y a partir de la función de correlación temporal de segundo orden. Se comprueba la dependencia lineal de la absorción con el flujo del haz incidente en la muestra, como se predice teóricamente. Además, se obtiene la tasa de absorción de pares de fotones en las moléculas en función de la tasa de pares de fotones que son transmitidos por el solvente para ambas concentraciones y se determina la sección eficaz a partir del valor de la pendiente de la recta. Los resultados indican una mayor absorción y una menor sección eficaz para altas concentraciones de Rodamina B en Metanol. Los valores se encuentran en el orden de magnitud esperado para el fenómeno de ETPA y son comparables con valores obtenidos previamente con experimentos que emplean métodos similares de medición. Se evidenció que la absorción ETPA desaparece al filtrar los pares de fotones, como es de esperarse. Las medidas realizadas son una prueba de que se mide ETPA y no fenómenos como absorción de un fotón (SPA) o dispersión.