Esta tese é um estudo das propriedades quânticas de fótons multimodais gerados por meio da conversão paramétrica descendente espontânea, tendo por objetivo a aplicação em problemas de informação quântica, tais como medidas de estados de Bell e a geração de fótons emaranhados nos graus de liberdade espaciais transversais.Como uma primeira investigação, realizamos um estudo teórico sobre a interferência Hong-Ou-Mandel (HOM) multimodal. Mostramos que os efeitos de interferência de quarta ordem dependem das propriedades transversais do estado do bifóton (par de fótons). Devido à transferência do espectro angular do feixe bombeador para este estado, mostrado por Monken et al. [Phys. Rev. A, 57 3123 (1998)], a paridade do feixe bombeador pode ser usada como um parâmetro de controle da interferência de quarta ordem. Executamos uma experiência de interferência HOM usando feixes Hermite-Gaussianos de primeira ordem como feixe bombeador. Os resultados experimentais mostram que o comportamento da interferência de quarta ordem depende da paridade do feixe bombeador, como foi previsto teoricamente. Uma primeira aplicação da interferência HOM multimodal pode ser feita na análise de estados de Bell, que utiliza interferência de quarta ordem. As técnicas precedentes requerem detectores que sejam sensíveis ao número de fótons. Por outro lado, com interferência HOM multimodal esta análise pode ser feita usando detectores de um fóton. Para mostrar que a interferência multimodal poderia ser usada para melhorar estes métodos, realizamos uma experiência simples de discriminação dos estados de Bell usando fótons multimodais emaranhados em polarização. Três grupos de estados de Bell foram identificados na base de coincidências (com detectores de um fóton). Além disto, discutimos dois métodos similares para análise de estado de Bell utilizando estados hiperemaranhados (emaranhados em mais de um grau de liberdade). Mostramos que uma proposta precedente de Kwiat et al. [Phys. Rev. A 58 R2623 (1998)], que requer fótons emaranhados em mais de um grau de liberdade, funcionar á melhor usando a interferência HOM multimodal. Finalmente, propomos um novo método de análise de estados de Bell de fótons hiperemaranhados que não requer detectores sensíveis ao número de fótons e pode ser executada não-localmente. Como um estudo adicional das propriedades multimodais de fótons produzidos pela conversão paramétrica descendente, investigamos a conservação e emaranhamento de momento angular orbital neste processo. Sabe-se bem que um campo eletromagnético pode carregar momento angular orbital na forma de uma fase azimutal no plano transversal. Desta forma, mostramos teoricamente que a geração de fótons emaranhados em momento angular orbital na conversão paramétrica descendente pode ser explicada através da transferência do espectro angular. Realizamos uma experiência multimodal simples de interferência de quarta ordem que comprovou as nossas previsões teóricas. Finalmente, estudamos a geração de fótons emaranhados nos modos transversais Hermite-Guassianos. Usando a teoria da transferência do espectro angular, mostramos que a conversão paramétrica descendente gera pares de fótons emaranhados em modos Hermite-Gaussianos, e para quaisquer pares destes modos, calculamos a amplitude de geração. Além disto, discutimos a geração de estados maximamente e não-maximamente emaranhados usando modos de primeira ordem.
Esta tese é um estudo das propriedades quânticas de fótons multimodais gerados por meio da conversão paramétrica descendente espontânea, tendo por objetivo a aplicação em problemas de informação quântica, tais como medidas de estados de Bell e a geração de fótons emaranhados nos graus de liberdade espaciais transversais.Como uma primeira investigação, realizamos um estudo teórico sobre a interferência Hong-Ou-Mandel (HOM) multimodal. Mostramos que os efeitos de interferência de quarta ordem dependem das propriedades transversais do estado do bifóton (par de fótons). Devido à transferência do espectro angular do feixe bombeador para este estado, mostrado por Monken et al. [Phys. Rev. A, 57 3123 (1998)], a paridade do feixe bombeador pode ser usada como um parâmetro de controle da interferência de quarta ordem. Executamos uma experiência de interferência HOM usando feixes Hermite-Gaussianos de primeira ordem como feixe bombeador. Os resultados experimentais mostram que o comportamento da interferência de quarta ordem depende da paridade do feixe bombeador, como foi previsto teoricamente. Uma primeira aplicação da interferência HOM multimodal pode ser feita na análise de estados de Bell, que utiliza interferência de quarta ordem. As técnicas precedentes requerem detectores que sejam sensíveis ao número de fótons. Por outro lado, com interferência HOM multimodal esta análise pode ser feita usando detectores de um fóton. Para mostrar que a interferência multimodal poderia ser usada para melhorar estes métodos, realizamos uma experiência simples de discriminação dos estados de Bell usando fótons multimodais emaranhados em polarização. Três grupos de estados de Bell foram identificados na base de coincidências (com detectores de um fóton). Além disto, discutimos dois métodos similares para análise de estado de Bell utilizando estados hiperemaranhados (emaranhados em mais de um grau de liberdade). Mostramos que uma proposta precedente de Kwiat et al. [Phys. Rev. A 58 R2623 (1998)], que requer fótons emaranhados em mais de um grau de liberdade, funcionar á melhor usando a interferência HOM multimodal. Finalmente, propomos um novo método de análise de estados de Bell de fótons hiperemaranhados que não requer detectores sensíveis ao número de fótons e pode ser executada não-localmente. Como um estudo adicional das propriedades multimodais de fótons produzidos pela conversão paramétrica descendente, investigamos a conservação e emaranhamento de momento angular orbital neste processo. Sabe-se bem que um campo eletromagnético pode carregar momento angular orbital na forma de uma fase azimutal no plano transversal. Desta forma, mostramos teoricamente que a geração de fótons emaranhados em momento angular orbital na conversão paramétrica descendente pode ser explicada através da transferência do espectro angular. Realizamos uma experiência multimodal simples de interferência de quarta ordem que comprovou as nossas previsões teóricas. Finalmente, estudamos a geração de fótons emaranhados nos modos transversais Hermite-Guassianos. Usando a teoria da transferência do espectro angular, mostramos que a conversão paramétrica descendente gera pares de fótons emaranhados em modos Hermite-Gaussianos, e para quaisquer pares destes modos, calculamos a amplitude de geração. Além disto, discutimos a geração de estados maximamente e não-maximamente emaranhados usando modos de primeira ordem.
Investigamos as propriedades quânticas conjuntas dos três feixes intensos de luz produzidos por um oscilador paramétrico ótico (OPO) operando acima do limiar, denominados bombeio, sinal e complementar. Analisamos experimentalmente as flutuações quânticas de intensidade e fase destes feixes, e como se correlacionam. Observamos pela primeira vez a presença de correlações quânticas entre as fases dos três campos. O ruído observado na soma das fases de sinal e complementar, Vq12=1,28(3)>1, passa a apresentar compressão de ruído após ser corrigido pelas flutuações de fase do feixe de bombeio, resultando em (Vq12)\' =0,84(3)<1. Para potências mais altas de bombeio, observamos também a existência de correlações quânticas diretamente entre as amplitudes do feixe de bombeio e um dos feixes convertidos (sinal ou complementar); a máxima compressão de ruído medida correspondeu a Vp02=0,86(3)<1. Estendemos nosso estudo às propriedades de emaranhamento deste sistema tripartite, para tanto utilizando dois critérios distintos. Nossos dados apontam a separabilidade do sistema no regime de operação estudado, em contradição com o modelo teórico. Utilizando o critério de emaranhamento de P. van Loock e A. Furusawa, obtivemos os seguintes valores para as combinação de variâncias que comprovariam a inseparabilidade caso fossem menores que 2: V0=1,29(5)<2, V1=2,04(11)>2 e V2=2,09(7)>2. Com relação ao segundo critério de separabilidade, positividade sob transposição parcial, obtivemos os seguintes autovalores simpléticos a partir da matriz de covariância medida: A0=0,94(8) e A1=0,36(6)<1, em que o emaranhamento seria evidenciado caso A0<1 e A1<1. Esta discordância com a previsão teórica está relacionada a um ruído clássico espúrio observado no sistema, cujas características são levantadas nesta tese. Nossa análise indica os rumos a serem seguidos para a observação do emaranhamento. Mostramos teoricamente que o emaranhamento tripartite previsto pode ser utilizado como recurso para a criação de um sistema emaranhado multipartite. Para tanto, diversos OPOs são utilizados em uma configuração em cadeia, na qual o feixe de bombeio refletido pelo primeiro OPO serve de bombeio para o segundo e assim sucessivamente. Este esquema permite a geração de uma rede quântica multicolor escalável. Por fim, descrevemos a construção de um laser de Ti:safira que representa o primeiro passo na integração entre luz não-clássica e física atômica a ser investigada em nosso laboratório. Este laser pode ser utilizado, ao mesmo tempo, como bombeio do OPO e de uma nuvem de átomos. O emaranhamento tripartite gerado no OPO estabeleceria a conexão destes últimos com os feixes convertidos, cujos comprimentos de onda possibilitariam a transmissão direta destes feixes de luz através de fibras óticas comerciais de telecomunicação.
Nesta dissertacao lidamos com o problema da transformacao de estados de polarizacao de um ou dois fotons por meios que podem ser classicamente descritos por matrizes de Mueller. Em especial tratamos de como as propriedades de despolarizacao de meios espalhadores levam a reducao do emaranhamento e ao aumento do grau de mistura de estados emaranhados da luz. Evidenciamos como o isomorfismo entre o estado de polarizacao de uma onda plana e sistemas quânticos de dois niveis (qubits) leva a um intercâmbio de ferramentas matematicas uteis para descrever as transformacoes nesses estados. Deduzimos uma expressao que nos permite calcular como o estado de dois fotons provenientes de um processo de conversao parametrica descendente espontânea e transformado por elementos com birrefringencia variavel. Estudamos o problema da simulacao do espalhamento de luz por meios diversos por sorteio aleatorio de matrizes de Mueller e mostramos a influencia do criterio de sorteio nos resultados. Em algumas partes fomos tambem capazes de comparar dados experimentais divulgados na literatura com uma serie de simulacoes numericas realizadas.
Resumo: O emaranhamento entre sistemas não locais, vem gerando grande interesses nas pesquisas pois esse recurso pode ser utilizado na comunicação quântica e computação quântica distribuída Nesse trabalho propomos a geração de emaranhamento entre dois átomos (A1A2) aprisionados em uma cavidade possuída por Alice, e um único átomo (B) aprisionado em uma cavidade que está com Bob, através da interação com um campo eletromagnético no estado comprimido de dois modos injetado nas cavidades com uso de um divisor de feixe Analisamos a evolução do emaranhamento dos três átomos, devido à interação átomo campo, fazendo um traço sobre os graus de liberdade do campo Deste modo obtivemos expressões analíticas para o estado dos átomos, estado do campo, negatividade, extensão "convex-roof"da negatividade e entropia linear, como função do tempo de interação, intensidade de interação e parâmetro de compressão Esses resultados foram utilizados para o estudo da dinâmica do emaranhamento do átomo (B) com o par (A1A2) Também calculamos o emaranhamento dos átomos individuais através da "twoway" negatividade Verificamos que a quantidade de transferência de emaranhamento das variáveis contínuas do campo para os átomos depende do parâmetro de compressão, assim obtivemos o valor de parâmetro de compressão e o parâmetro de interação, que gera maior emaranhamento do átomo (B) como par (A1A2) Além disso, comparamos a entropia de Von Neumann do campo, com a entropia de Von Neumann dos átomos para verificar a transferência de emaranhamento do campo para o sitema de três átomos
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.
Com o objetivo de implementar a Tomografia Quântica para Qudits espaciais, realizamos neste trabalho, uma sistematização dos procedimentos experimentais para tomografia de um e dois qubits. Utilizando a correlação transversal dos fótons gerados na conversão paramétrica descendente criamos estados de qubits e qudits utilizando pares de fendas múltiplas. Observamos a correlação espacial dos fótons transmitidos por fendas quádruplas, bem como padrão de interferência. Verificamos também a condicionalidade das franjas desse padrão. Foi realizada uma descrição teórica da tomografia de um e de dois qubits para estados espaciais de caminho transversal. Para a implementação da tomografia escolhemos um conjunto de pontos especiais na esfera de Bloch que exigisse o menor número de medições. Esses pontos formam um tetraedro regular inscrito nesta esfera. Para realização da tomografia foi construído um POVM com operadores proporcionais a projetores nas direções dos vértices deste tetraedro. Esses operadores foram gerados utilizando um Modulador Espacial de Luz (SLM). O modulador permite adicionarmos, de maneira simples, uma diferença de fase entre os estados de fendas, o que é crucial para o processo de tomografia.
[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.