El Grupo de Óptica Cuántica y No lineal de la Universitat de València
Germán J. de Valcárcel, Ferran-Vicent Garcia Ferrer, Robert Hoepner, Stanislav A. Kolpakov, Carlos Navarrete–Benlloch, Eugenio Roldán, F. Silva, Juan Carlos Soriano
espanolIn this article we review the main research activities of the Quantum and Nonlinear Optics group at the Universitat de Valencia in Spain. The main efforts are on the generation of multimode squeezing within nonlinear optical cavities, on the quantum optics side, and on cavity soliton generation, on the nonlinear optics side. However other topics such as quantum walks or soliton formation in BoseEinstein condensates, among others, are also covered. espanolRevisamos en este articulo la principales actividades investigadoras del grupo de Optica Cuantica y No Lineal de la Universitat de Valencia (Espana). Los esfuerzos principales se centran en la generacion de luz comprimida multimodo, por lo que respecta a la optica cuantica, y en la generacion de solitones de cavidad en la parte de optica no lineal. Sin embargo, tambien se cubren tematicas tales como los paseos cuanticos y la formacion de solitones en condensados de Bose Einstein, entre otros.
espanolIn this article we review the main research activities of the Quantum and Nonlinear Optics group at the Universitat de Valencia in Spain. The main efforts are on the generation of multimode squeezing within nonlinear optical cavities, on the quantum optics side, and on cavity soliton generation, on the nonlinear optics side. However other topics such as quantum walks or soliton formation in BoseEinstein condensates, among others, are also covered. espanolRevisamos en este articulo la principales actividades investigadoras del grupo de Optica Cuantica y No Lineal de la Universitat de Valencia (Espana). Los esfuerzos principales se centran en la generacion de luz comprimida multimodo, por lo que respecta a la optica cuantica, y en la generacion de solitones de cavidad en la parte de optica no lineal. Sin embargo, tambien se cubren tematicas tales como los paseos cuanticos y la formacion de solitones en condensados de Bose Einstein, entre otros.
espanolLa investigacion actual del Grupo de Optica Cuantica y Atomica de la Universitat Autonoma de Barcelona se concentra fundamentalmente en el control coherente de sistemas optico-cuanticos en varios campos que abarcan desde los atomos ultrafrios y la computacion cuantica hasta la fotoionizacion y la generacion de armonicos mediante laseres intensos. En este articulo, describiremos brevemente nuestros resultados mas recientes en estas lineas de investigacion. EnglishThe present research of the Quantum Atom Optics Group at the Universitat Autonoma de Barcelona focuses on the coherent control of quantum optical systems with applications in areas ranging from ultra cold atom physics and quantum computation to photoionization and harmonic generation with strong lasers. In this article, we will briefly describe our most recent results on these lines of research
En esta tesis doctoral se analizaron dos sistemas coherentes de gran relevancia en la Física moderna y que se encuentran íntimamente conectados por la denominada ecuaci ón no lineal de Schrödinger [1] : el condensado de Bose-Einstein [2] y la propagación de la luz en medios ópticos no lineales [3]. Esta tesis se encuadra, por tanto, en el estudio de una ecuación de gran importancia en el ámbito de la Física, llegando incluso a trascender dicha disciplina gracias a su carácter científico universal [4].\n\t\t\t\t Para concretar, esta tesis doctoral se enmarca en el estudio te órico de diferente fenomenología y propiedades de los dos campos previamente mencionados y de las ondas no lineales (particularmente de los llamados solitones [5]) que se manifiestan en ellos: \n\t\t\t\t En el contexto del condensado de Bose-Einstein abordamos principalmente diversos protocolos de emisión controlada de solitones de materia. Este control se lleva a cabo mediante la manipulación en el tiempo y en el espacio de la denominada longitud de scattering del condensado (parámetro que controla las interacciones entre las partículas que lo integran), el cual, desde el punto de vista experimental, implica el uso de campos magnéticos y ópticos conocidos como resonancias de Feshbach [6]. Diversas posibilidades como el diseño de un divisor de haz para un interferómetro atómico [7], o la capacidad de extracción de materia con materia y producción de supersolitones [8] son también reportadas.\n\t\t\t\t En el contexto de la Óptica no lineal analizamos algunas propiedades de la denominada "luz líquida" [9], fenómeno que se produce cuando haces de luz de alta intensidad (normalmente láser) se propagan a través de medios ópticos con una no linealidad cúbico-quíntica. En concreto, discutimos las características de la cavitación coherente [10] y los efectos de la fuerza de arrastre [11] en este sistema. Para concluir, estudiamos las soluciones solitónicas de una guía de ondas de triple núcleo con simetría paridad-tiempo [12].\n\t\t\t\t Referencias:\n\t\t\t\t [1] C. Sulem, and P.L. Sulem, "The Nonlinear Schr ödinger Equation: Self-Focusing and Wave Collapse", Ed. Springer, vol. 139 (1999).\n\t\t\t\t [2] A.J. Leggett, Reviews of modern physics 73, 307 (2001).\n\t\t\t\t [3] G.P. Agrawal, "Nonlinear Fiber Optics", Ed. Elsevier/Academic Press, New York (2013); M.L. Calvo and V. Lakshminarayanan, "Optical Waveguides: From Theory to Applied Technologies", Ed. CRC Press (2007).\n\t\t\t\t [4] E. Infeld, and G. Rowlands, "Nonlinear Waves, Solitons and Chaos", Ed. Cambridge University Press (2000).\n\t\t\t\t [5] L. Lam, "Introduction to Nonlinear Physics", Ed. Springer Science & Business Media (2003).\n\t\t\t\t [6] C. Chin, R. Grimm, P. Julienne, and E. Tiesinga, Reviews of Modern Physics 82, 1225 (2010).\n\t\t\t\t [7] H. Michinel, Á. Paredes, M.M. Valado and D. Feijoo, Physical Review A 86, 013620 (2012).\n\t\t\t\t [8] D. Feijoo, Á. Paredes, and H. Michinel, Physical Review A 87, 063619 (2013).\n\t\t\t\t [9] H. Michinel, J. Campo-Táboas, R. García-Fernández, J.R. Salgueiro, and M.L. Quiroga-Teixeiro, Physical Review E 65, 066604 (2002); Z. Wu, Y. Zhang, C. Yuan, F. Wen, H. Zheng, Y. Zhang, and M. Xiao, Physical Review A 88, 063828 (2013). \n\t\t\t\t [10] Á. Paredes, D. Feijoo, and H. Michinel, Physical Review Letters 112, 173901 (2014).\n\t\t\t\t [11] D. Feijoo, I. Ordóñez, Á. Paredes, and H. Michinel, Physical Review E 90, 033204 (2014).\n\t\t\t\t [12] D. Feijoo, D.A. Zezyulin, and V.V. Konotop, Physical Review E 92, 062909 (2015).
En este trabajo se presenta una breve descripcion de los principales resultados del trabajo de investigacion desarrollado por nuestro grupo en optica integrada cuantica. La principales lineas de investigacion del grupo siempre han estado en la optica integrada y en los ultimos anos se han desarrollado ademas varios estudios cuanticos teoricos y aplicados de dispositivos opticos integrados lineales y no lineales. Estos estudios han tenido como principal objetivo el analisis teorico riguroso tanto de la propagacion como de la caracterizacion de estados de luz cuantica en dispositivos de guia de onda mediante el operador Momento y las ecuaciones espaciales de Heisenberg, y tambien mediante propagadores opto-cuanticos calculados con el formalismo de Feynman sobre el espacio multimodo de campo optico. En este espacio las distribuciones de probabilidad estan bien definidas y ademas pueden medirse mediante tecnicas de deteccion homodina y/o heterodina multimodo. Asimismo se indican algunas lineas de investigacion futura tanto teorica como experimental sobre optica integrada cuantica.
En este trabajo presentamos las líneas de investigación del Grupo de Física del Láser, Óptica Cuántica y Óptica No Lineal de la UCM. La investigación comprende trabajos experimentales y teóricos en el desarrollo de prototipos de láser, análisis de inestabilidades espacio-temporales en láseres de gran apertura, el estudio de propagación de radiación en régimen de luz lenta y de pulsos ultracortos en medios resonantes y no resonantes, la generación de radiación por procesos no lineales y el estudio de memorias ópticas por eco fotónico.
espanolNuestro grupo, Ingenieria Cuantica de Luz, forma parte del ICFO- Institut de Ciencies Fotoniques, instituto de investigacion localizado cerca de la ciudad de Barcelona. Las areas de trabajo del grupo estan centradas en optica cuantica y no lineal. El grupo persigue la generacion, control, utilizacion y deteccion de luz clasica y cuantica para (a) explorar aspectos fundamentales de la teoria cuantica y (b) implementar nuevas aplicaciones que puedan requerir luz con caracteristicas especificas. Consideramos dos tipos de producir atrapamiento fotonico a traves de la implementacion de nuevas configuraciones que emplean conversiones parametricas espontaneas (SPDC). De entre estas lineas, estamos especialmente interesados en el uso del momento angular orbital de fotones para codificar informacion cuantica en espacios de Hilbert multidimensionales. EnglishOur group, Quantum Engineering of Light is part of the ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques, a research institute located nearby the city of Barcelona. The areas of work of the group are nonlinear and quantum optics. The group aims at generating, tailoring, using and detecting new types of classical and quantum light for (a) exploring fundamental aspects of quantum theory and (b) implementing new applications that might require light with specific features. We consider new ways of tailoring photonic entanglement, through the implementation of new configurations that make use of spontaneous parametric down-conversion (SPDC). Along these lines, we are especially interested in the orbital angular momentum of photons to encode quantum information in multidimensional Hilbert spaces
En la primera parte, el tema de estudio son las fluctuaciones cuanticas en el Oscilador Optico Parametrico (OPO) de tipo II. En esencia, los OPOs son cavidades opticas que contienen un cristal con una no linealidad de segundo orden. Cuando bombeamos con un laser de frecuencia 2w0, el OPO es capaz de generar frecuencias ws (senal) y wi (vago) de tal forma que ws+wi=2w0. Que el dispositivo sea de Tipo II hace referencia a que estos haces tienen polarizaciones ortogonales. En una descripcion clasica, la generacion de frecuencias requiere que el OPO sea bombeado por encima de un cierto valor umbral; sin embargo, cuanticamente las parejas de fotones senal-vago pueden ser generadas incluso por debajo de ese umbral, lo cual les confiere propiedades cuanticas muy interesantes. En particular, los OPOs de tipo I, en los cuales senal y vago tienen la misma polarizacion, mantienen el record de reduccion de ruido en cuadraturas (single-mode squeezing), lo que se manifiesta en el modo degenerado de frecuencia ws=wi=w0; consistiendo el squeezing en reducir el ruido cuantico en un observable a costa de incrementarlo en su par canonico, preservando asi el principio de incertidumbre, lo que permite, por ejemplo, realizar medidas ultraprecisas virtualmente libres de ruido cuantico. Por otro lado, los OPOs de tipo II ademas de proporcionar squeezing en la suma de fases de senal y vago (lo que no resulta detectable puesto que se trata de una cuadratura mixta que implica a dos modos de frecuencias y polarizaciones diferentes), tiene reduccion completa de ruido en la resta de intensidades, lo cual quiere decir que sus amplitudes estan perfectamente correlacionadas y los haces ?entrelazados?. Cuando dos sistemas estan entrelazados, presentan correlaciones cuanticas no-locales que pueden explotarse para muchas aplicaciones impensables en el dominio clasico. Sin embargo, para la manipulacion y deteccion de estos estados es muy conveniente que los campos generados esten degenerados en frecuencia (locking). Hasta ahora, las tecnicas conocidas que consiguen locking deterioran los niveles de squeezing y entrelazamiento. La primera vez que fue propuesta una tecnica de locking fue por Fabre y colaboradores. En esta parte de la tesis, nosotros proponemos una alternativa de conseguir degeneracion a frecuencia w0. Mostramos que el locking puede ser conseguido en el OPO tipo II preservando buenos niveles de entrelazamiento. En la segunda parte de la tesis nos centramos en el estudio de simuladores cuanticos de la fisica de sistemas de muchos cuerpos. En particular, nos centramos en el estudio de colecciones (arrays) de cavidades opticas, cada una interactuando fuertemente con un emisor de dos niveles. Este tipo de sistemas han recibido una atencion considerable en los ultimos anos. Se han descubierto fases coherentes fuertemente correlacionadas y se ha discutido sobre analogias con el efecto hall cuantico y con estados cuanticos topologicamente protegidos. En investigaciones anteriores el mecanismo de bombeo utilizado ha sido un bombeo coherente para cada cavidad, con lo que la relacion de fase entre los campos de cavidades distantes podia ser atribuida, al menos en parte, a la relacion de fase entre los campos coherentes bombeados. En este trabajo mostramos que la coherencia entre cavidades distantes puede construirse espontaneamente, provocada solo por los procesos fisicos dentro del array. De esta forma nos preguntamos si en estas estructuras se pueden desarrollar superfluidos fuera del equilibrio o condensados de Bose Einstein. Por este motivo, consideramos que el array de cavidades esta bombeado solo de forma incoherente. Para una sola cavidad el sistema se reduce al laser de un solo emisor (one- emitter laser), ampliamente estudiado en trabajos anteriores. En nuestro analisis nos concentramos en las correlaciones en cavidades distantes, tipicamente consideradas para investigar efectos de rango lejano y la emergencia de superfluidez. De hecho encontramos correlaciones colectivas cuando las cavidades se encuentran en regimen de emision laser. Estas correlaciones decaen mas rapido que ninguna potencia de la distancia cuando la distancia entre cavidades tiende a infinito para cualquier dimension del array. Como es de esperar, la longitud de correlacion asociada aumenta al aumentar el acoplo entre cavidades. Tambien encontramos propiedades intrinsecas del laser, como el tipico espectro de fotoluminiscencia, el triplete de Mollow, el cual puede ser observado lejos de la resonancia entre emisor y cavidad debido a la aparicion de modos fotonicos colectivos. La tercera parte de la tesis se centra en el estudio de cavidades optomecanicas, que son resonadores opticos (dos espejos enfrentados, por ejemplo) iluminados por un laser, en los que se produce una interaccion entre la luz y uno o varios sistemas mecanicos. Estos dispositivos pueden implementarse de varias formas, siendo la mas sencilla la que asume que la luz ejerce una presion de radiacion que puede modificar la posicion de un espejo movil. El uso de resonadores opticos permite aumentar en varios ordenes de magnitud la intensidad de la luz en el interior de la cavidad, lo cual conduce a una mejora impresionante de la interaccion. Las cavidades optomecanicas han sido implementadas usando diferentes osciladores mecanicos (OMs) como, por ejemplo, resonadores microtoroidales o membranas suspendidas en una cavidad. Desde el punto de vista cuantico, estos dispositivos tambien pueden proporcionar estados cuanticos de la luz como squeezed o entrelazados, asi como enfriamiento del OM (laser cooling). El laser cooling es una tecnica para enfriar el OM hasta su estado fundamental (el de minima energia), punto de partida para estudiar la transicion microscopica-macroscopica de las leyes mecano-cuanticas. El modelo propuesto en esta parte de la tesis, permite la coexistencia de muchos modos tanto mecanicos como opticos (estamos entonces en presencia de un sistema intrinsecamente multimodo). A traves del estudio de la estabilidad del sistema hemos obtenido que pueden coexistir dos soluciones homogeneas (biestabilidad) y que no solo existen inestabilidades temporales, sino que tambien pueden formarse estructuras espaciales disipativas. Por ejemplo, partiendo de una inyeccion plana (invariante bajo traslaciones) encontramos patrones hexagonales (que rompen espontaneamente la simetria espacial), y, en la zona de biestabilidad, donde los patrones coexisten con una solucion homogenea, encontramos solitones de cavidad.