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 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.
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.
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.
Se presenta un estudio teórico y experimental de las parejas de fotones entrelazados producidos por emisión espontánea paramétrica descendente en un cristal de KTP periódicamente polarizado. El estado cuántico de la luz espontánea paramétrica descendente es derivado a partir de principios fundamentales y la tasa de detección de pares es calculada rigurosamente. La condición de cuasi empatamiento de fases es utilizada para diseñar experimentos de detección de pares los cuales emplean módulos contadores de fotones individuales y lógica de detección de coincidencias. Los resultados teóricos son comparados con observaciones experimentales de la tasa de pares como función del ángulo polar del camino óptico seguido por los fotnoes llamados señal y como función de la temperatura del cristal, obteniendo un buen acuerdo. Adicionalmente, se estudia la dependencia de las tasas de pares como función de los tamaños de las aperturas detectadas. Se presentan algunas aplicaciones de pares de fotones como son la caracterización de la respuesta temporal de los detectores, la determinación de los ángulos de empatamiento de fases en función de la temperatura del cristal, y finalmente se evalúo la homogeneidad del patrón de polarizaición periódico del cristal no-lineal. También se presentan resultados con el láser en un modo de operación con dos frecuencias. Dichos resultados son sorprendentemente distintos a los resultados obtenidos con una sola frecuencia.
En esta Tesis se presentan los resultados de implementaciones ópticas de algoritmoscuánticos, orientadas a protocolos de comunicación y procesamiento cuántico de la información. En particular, se estudiaron algoritmos cuánticos basados en entrelazamiento y se analizó la interacción del sistema cuántico en cuestión con distintos entornos ruidosos. Estas investigaciones se realizaron en forma mixta, tanto experimental como teórica, contemplando etapas de interacción del sistema con entornos controlados. Se realizaron experimentos de teleportación cuántica y distribución cuántica de claves (QKD), con el propósito de ganar experiencia en la manipulación y control de sistemas cuánticos. A partir de estos experimentos, se demostraron algoritmos eficientes y robustos ante entornos ruidosos que generan decoherencia en el recurso entrelazado. Para llevar a cabo estos experimentos, se desarrolló una fuente de pares de fotones entrelazados en polarización, basada en el proceso de conversión paramétrica descendente. La utilización de fotones como recurso físico permite la codificación de qubits en diversos grados de libertad de los mismos. En los experimentos realizados en esta Tesis, a partir de un único fotón se codificaron dos qubits en los grados de libertad de polarización y momento lineal del mismo. Para representar la interacción del sistema con un entorno local, se utilizaron los dos grados de libertad de polarización y camino para representar el sistema y el entorno, respectivamente. Estas interacciones se producen en arreglos experimentalesbasados en óptica lineal. Los arreglos experimentales diseñados e implementados permitieron un estudio versátil de los distintos protocolos propuestos, y un control sistemático de los entornos. Se estudiaron las condiciones para las cuales la dinámica del sistema era robusta frente al ruido y la acción del mismo sobre el desempeño de estos protocolos. En particular se realizó un estudio de la eficiencia del protocolo de teleportación bajo distintos tipos e intensidades de interacción con un entorno, pudiendo obtener condiciones para las cuales el sistema presenta baja sensibilidad a ciertos tipos de ruido. Asimismo, para el caso de distribución cuántica de claves, la interacción del sistema con el entorno nos permitiómodelar la acción de un espía y estudiar la seguridad de protocolos de QKD. La evolución de los sistemas cuánticos inducida por la interacción con entornos locales genera decoherecia, afectando el grado de entrelazamiento inicial y su utilización como recurso cuántico. Se estudiaron entonces distintas condiciones de ruido cuántico y su efecto sobre el entrelazamiento de un sistema, obteniendo una relación entre la "muerte del entrelazamiento" y canales efectivos capaces de romper completamente el entrelazamiento, para sistemas de dos qubits. Estos resultados permitieron anticipar qué estados pueden sufrir muerte del entrelazamiento o no para una dada evolución. Conocer de antemano el estado inicial y/o el canal cuántico que afecta el recurso entrelazado permite elegir demanera óptima los parámetros necesarios para un procesamiento cuántico eficiente de la información. La base de todos los experimentos realizados es una fuente de pares de fotones entrelazados y un arreglo óptico confiable y versátil basado en óptica lineal. El control sobre los estados fotónicos generados se realiza interferométricamente y en polarización. El dominio de estas técnicas de control de estados cuánticos es un resultado en sí mismo y el arreglo experimental desarrollado se presenta como una plataforma robusta para el estudio de la dinámica de procesos cuánticos. A modo de síntesis, entendemos que en el desarrollo de esta Tesis de Doctorado secumplieron los dos objetivos propuestos: por un lado estudiar la influencia de procesos de decoherencia e interacción con entornos en la eficiencia de algoritmos de información cuántica y por otro desarrollar herramientas ópticas para el estudio e implementación eficiente de estos algoritmos.
En un principio, la Teoría de la Información fue concebida en forma abstracta, en base a una formulación matemática. Sin embargo, la habilidad y eficiencia para procesar o transmitir información dependerá en última instancia del sistema físico elegido para codificar esa información. Es así que, al codificar la información en las propiedades físicas de sistemas cuyo comportamiento se describe por las leyes de la mecánica cuántica, se abren nuevas posibilidades que son irrealizables clásicamente. Entre ellas, la posibilidad de generar algoritmos cuánticos para ciertos cálculos que requieren un número de pasos significativamente menor que cualquier algoritmo clásico, reduciendo su complejidad. Entre las características fundamentales de la mecánica cuántica que posibilitan estos desarrollos, sobresalen el principio de superposición y el entrelazamiento cuántico. Una de las implementaciones más accesibles para la comunicación cuántica y el procesamiento cuántico de la información emplea fotones individuales como portadores de la información. Estos pueden viajar entre dos estaciones distantes siendo poco afectados por el ruido que introduce el entorno. Además, poseen varios grados de libertad en los cuales es posible codificar la información y pueden manipularse con un alto grado de control utilizando tecnología estándar. En este trabajo se describen algunas aplicaciones de la implementación fotónica, realizadas en colaboración con el Laboratorio de Procesado de Imágenes (LPI) del Depto. de Física de la UBA. En primer lugar, se describe la determinación experimental de medidas de correlaciones cuánticas en estados no puros de un par de fotones correlacionados en polarización, mediante técnicas de tomografía de estados cuánticos. Luego se describe la utilización de moduladores espaciales de luz programables para entrelazar la polarización con grados de libertad espaciales, y así poder simular los denominados estados historia de evoluciones temporales cuánticas. Se muestra que este último proveeun esquema eficientepara el cálculo de promedios temporales de observables del sistema.