Estudamos os padrões de interferência obtidos experimentalmente em eletrodinâmica quântica de cavidades de baixa finesse alimentada por um campo não clássico gerado no processo espontâneo de conversão paramétrica descendente. Inicialmente, investigamos as interferências geradas por um interferômetro de Hong, Ou e Mandel modificado por uma cavidade simétrica colocada em um dos seus braços. No regime em que o comprimento da cavidade L é maior que o comprimento de coerência do pacote de um dos fótons do par lcoh, efeitos de coalescência e anticoalescência são observados. Mostramos que a variação no comprimento da cavidade pode transformar pico em vale de interferência e vice-versa, embora lcoh < L. O estado de momento dos pares de fótons, nas portas de saídas do divisor de feixes, pode ser controlado pela mudança no comprimento da cavidade. Num segundo trabalho, examinamos as mudanças na correlação dos pares de fótons quando seus correspondentes feixes são filtrados por uma cavidade de Fabry-Perot. Embora os pacotes de onda de cada fóton sofram, individualmente, dispersão, observamos o efeito de cancelamento da dispersão do par quando a freqüência do fóton está sintonizada com a freqüência natural de ressonância da cavidade. As larguras dos picos de Airy não clássicos são da ordem de seus correspondentes clássicos. A visibilidade das franjas de interferência adjacentes ao pico de Airy depende da finesse da cavidade.
Estudamos os padrões de interferência obtidos experimentalmente em eletrodinâmica quântica de cavidades de baixa finesse alimentada por um campo não clássico gerado no processo espontâneo de conversão paramétrica descendente. Inicialmente, investigamos as interferências geradas por um interferômetro de Hong, Ou e Mandel modificado por uma cavidade simétrica colocada em um dos seus braços. No regime em que o comprimento da cavidade L é maior que o comprimento de coerência do pacote de um dos fótons do par lcoh, efeitos de coalescência e anticoalescência são observados. Mostramos que a variação no comprimento da cavidade pode transformar pico em vale de interferência e vice-versa, embora lcoh < L. O estado de momento dos pares de fótons, nas portas de saídas do divisor de feixes, pode ser controlado pela mudança no comprimento da cavidade. Num segundo trabalho, examinamos as mudanças na correlação dos pares de fótons quando seus correspondentes feixes são filtrados por uma cavidade de Fabry-Perot. Embora os pacotes de onda de cada fóton sofram, individualmente, dispersão, observamos o efeito de cancelamento da dispersão do par quando a freqüência do fóton está sintonizada com a freqüência natural de ressonância da cavidade. As larguras dos picos de Airy não clássicos são da ordem de seus correspondentes clássicos. A visibilidade das franjas de interferência adjacentes ao pico de Airy depende da finesse da cavidade.
Nesta tese estudamos o controle da biestabilidade óptica absortiva em uma cavidade linear contendo uma coleção de átomos de dois e três níveis não interagentes fracamente acoplados a um único modo do campo. Mostramos que o controle para a configuração atômica de três níveis ocorre apenas nas condições de aprisionamento coerente de população e que o mesmo é sensível à coerência atômica induzida no sistema podendo ser manipulado através de diferentes parâmetros. Propomos algumas aplicações apresentando um efeito novo, o qual denominamos de biestabilidade óptica complementar, muito interessante para explorar dispositivos ópticos biestáveis com funções de cascatabilidade, como um transistor óptico. Estudamos também o controle óptico das flutuações do campo de prova pela combinação do fenômeno de transparência eletromagneticamente induzida para um único átomo no regime de acoplamento forte em eletrodinâmica quântica de cavidades. Especificamente, o campo de controle é utilizado para ajustar as frequências de transição dos estados vestidos ressonantemente ou quase ressonantemente com o campo de prova do sistema. Desta forma, efeitos de bloqueio de um e dois fótons e anti-bloqueio são observados produzindo campos sub- e super-Poissonianos, respectivamente. O controle quântico obtido pode ser promissor para a realização de um protótipo de um transistor quântico que amplifica e atenua flutuações quânticas do campo transmitido pelo sistema. A viabilidade desse dispositivo é demonstrada através de cálculos utilizando parâmetros de experimentos recentes.
A pesquisa em comunicação óptica por meio de links atmosféricos enfrenta uma série de desafios na busca por uma implementação confiável. A luz clássica coerente, como um feixe de laser propagando-se pela atmosfera por exemplo, sofre um impacto significativo na qualidade do sinal devido à turbulência atmosférica. Embora existam várias técnicas de comunicação para mitigar o desvanecimento do sinal na luz clássica, qualquer uma dessas técnicas não elimina completamente os efeitos indesejados. Assim, vale a pena desenvolver novas maneiras para suavizar ainda mais as perturbações induzidas pela turbulência. Neste trabalho, estudamos um arranjo experimental para mitigar as flutuações de sinal induzidas pela turbulência, ou seja, o desvanecimento do sinal, em feixes de fótons emaranhados, o que nos leva a uma comunicação mais estável. Estados quânticos de fótons gêmeos, espontaneamente produzidos por conversão paramétrica, foram usados para demonstrar experimentalmente que uma inversão das coordenadas transversais do feixe de correlação é suficiente para eliminar parcialmente as perdas de sinal causadas pelo fluxo turbulento de ar. Além disso, mostramos que não apenas uma inversão de coordenadas mitiga os efeitos de turbulência, mas também elimina completamente a aberração da inclinação da frente de onda. Nossa avaliação revela que a comunicação óptica através de canais atmosféricos pode se beneficiar do uso de estados quânticos para luz.
[pt] O bunching de fótons é um dos mais celebrados efeitos de interferência de dois fóotons, associado à tendéncia de fótons indistinguíveis de tomarem o mesmo caminho quando há uma superposição dos pacotes de onda em um combinador de feixes óptico simétrico. Nós exploramos o fenômeno de interferência de dois fótons e mostramos que: a característica espectral de uma fonte de luz pode ser determinar através da técnica de Espectroscopia de Transformada de Fourier de Poucos Fótons de alta resolução que se mostra como uma técnica útil para a caracterização espectral de fontes ópticas débeis abaixo do limite coberto por técnicas clássicas de batimento heteródino; uma fonte de fótons com estatística sub-Poisson, a Fonte de Fótons Anunciadas com Óptica Linear, pode ser construída baseada apenas em óptica linear e estados coerentes atenuados uma vez que os anúncios sejam sintonizados nos picos de coincidência de um interferograma de Hong-Ou-Mandei quando o interferômetro é alimentado com estados em frequências diferentes; uma modificação do interferômetro de Hong-Ou-Mandel produz um aumento no número de coincidências, ao invés de sua diminuição, quando os pacotes de onda estão perfeitamente superpostos no interferômetro e o anúncio de fótons sintonizados nesse pico gera um feixe com distribuição sub-Poisson. A descrição matemática de cada experimento é detalhada e uma revisão extensa das ferramentas teóricas e práticas necessárias para o entendimento dos resultados é apresentada.
Esta tese é constituída por três estudos no contexto de Eletrodinâmica Quântica de Cavidades. Primeiramente, investigamos a transição quântico-clássica de um campo de uma cavidade dissipativa através da geração de correlação entre dois átomos de dois níveis não interagentes acoplados a um modo da cavidade. Em primeiro lugar, mostramos que há uma janela de tempo na qual o modo da cavidade exibe um comportamento clássico, que depende da taxa de decaimento da cavidade, do acoplamento átomo-campo e do número de átomos. Em seguida, considerando o regime estacionário, vemos que o emaranhamento entre os átomos desaparece à medida que o número médio de fótons intracavidade (ñ) é aumentado. Entretanto, a informação mútua, as correlações clássicas e a discórdia quântica atingem valores assintóticos não nulos mesmo no limite (continua...)
Nesta tese, geramos pares de fótons em um sistema com dois níveis de energia puros, utilizando uma armadilha magneto-óptica com átomos frios de rubídio-87. No processo de mistura de quatro ondas considerado neste experimento, dois feixes contrapropagantes excitam o ensemble atômico, gerando espontaneamente pares de fótons emaranhados, propagando-se em direções opostas e fazendo um ângulo de 3 ∘ com a direção dos feixes de excitação. Correlações quânticas são observadas na escala de tempo de nanosegundos, devido a interferência entre a componente de frequência central da excitação e as bandas laterais, que estão deslocadas da componente central pela dessintonia da ressonância atômica. Ao contrário do que foi reportado por Du et al. em 2007, nós fomos capazes de observar experimentalmente a violação da desigualdade de Cauchy-Schwarz válida para campos clássicos de luz, e obtemos R = (1.98 ± 0.03) ≰ 1. Surpreendentemente, essas correlações quânticas prevalecem mesmo na presença do forte ruído de fundo proveniente do espalhamento Rayleigh dos feixes de excitação. Elas são frágeis com respeito a processos que perturbam a fase da excitação atômica, mas são robustas a variações no número de átomos e a aumentos nas intensidades de excitação. Também realizamos uma caracterização das correlações nas escalas de tempo curta (dezenas de ns) e longa (dezenas de μs) e obtivemos um bom acordo dos dados experimentais com nosso modelo teórico empírico que foi introduzido. Além disso, mostramos que essas correlações não clássicas podem ser consideravelmente amplificadas filtrando espectralmente a componente do espalhamento Rayleigh, e obtivemos R = (5.00 ± 1.30) ≰ 1.
Nesta tese, inicialmente apresentamos um experimento para a geração de estados emaranhados de sistemas quânticos D-dimensionais, qudits, explorando a correlação transversal dos fótons gerados no processo da conversão paramétrica. Aberturas com D-fendas, colocadas ao longo dos braços dos fótons gêmeos, definem o espaço de Hilbert destes qudits. Devido a uma manipulação adequada do perfil transversal do feixe do laser, os fótons gêmeos irão passar somente através de fendas simetricamente opostas, gerando estados emaranhados entre os diferentes caminhos possíveis para a transmissão do par através destas aberturas. Resultados experimentais para qudits com D = 4 e 8 são mostrados. Nós demonstramos também que a correlação entre os qudits gerados é quântica. Em seguida, mostramos que estes estados de qudits podem ser propagados. Sua distribuição ao longo do espaço livre foi realizada em nosso laboratório e os estados propagados mantiveram uma fidelidade muito alta quando comparados com a sua forma original. Estudos sobre a propagação de estados de qudits são importantes porque seu uso permite um aumento na quantidade da informação que pode ser transmitida por par compartilhado e pode também garantir mais privacidade para as partes que se comunicam. No terceiro trabalho descrito nesta tese, demonstramos como uma pequena modificação do esquema adotado nos trabalhos anteriores, pode ser usada para se gerar estados mistos de qudits. Investigamos, também, a discriminação dos estado quânticos de sistemas compostos de dois qubits espaciais, motivados pelo fato de que os protocolos de Informação Quântica podem ser mais fáceis de serem implementados neste caso. Por meio de operações locais nos fótons gêmeos, realizamos o processo da tomografia quântica para reconstruir a matriz densidade de um estado misto de dois qubits espaciais. As matrizes densidade reconstruídas são úteis porque quantidades tais como a entropia e a concurrência de um sistema quântico, podem ser calculadas a partir delas. E em nosso último trabalho, depois de ter tido demonstrado a geração de estados puros e mistos de qudits espaciais, a sua propagação através do espaço livre e sua reconstrução através de técnica da tomografia quântica, mostramos que este tipo de estado espacial pode ser usado na prática, para se fazer um teste das desigualdades da Bell.