Estudamos processos ópticos não lineares usando mistura de quatro ondas(MQO) com conjugação de fase em átomos frios de césio, obtidos numa armadilha magneto-óptica. Foram estudados a geração de feixes coerentes com momento angular orbital, processos de mistura de quatro ondas não degenerada num sistema de três níveis degenerado e o efeito de transferência de uma grade de coerência por emissão espontânea. Na geração de feixes com momento angular orbital foi usada a difração de Bragg numa grade de coerência, contendo a informação espacial de fase dos campos, induzida nos sub-níveis Zeeman de um sistema de dois níveis degenerado e foi demonstrada a conservação do momento angular orbital da luz dentro dos modos articipantes neste processo paramétrico. Esta demonstração constitui um primeiro passo na direção de se armazenar informação quântica codificada num espaço de estados multidimensional. Na MQO não degenerada ´e observado um duplo pico de largura sub-natural, o qual evidencia que esta estrutura esta associada a um desdobramento do nível fundamental induzido por feixes de bombeio fortes. ´E apresentado um modelo simples resolvendo as equações para a matriz densidade num sistema duplo-_, o qual explica qualitativamente a forma dos espectros observados. Na observação da transferência de coerência, nós reportamos a observação da transferência de uma grade de coerência entre diferentes pares de sub-níveis Zeeman pertencentes a diferentes estados hiperfinos. Foi usada a difração de Bragg como assinatura do mecanismo de transferência, cujo espectro com largura sub-natural e dependência com a polarização dos feixes incidentes, revelam a existência de uma coerência transferida para o estado fundamental. Apresentamos um modelo baseado no formalismo tensorial da matriz densidade para descrever a interação entre a luz e dois sistemas de dois níveis degenerados acoplados pela emissão espontânea. Tal modelo reproduz satisfatoriamente os espectros observados. A possibilidade de transferir uma coerência atômica de vida curta para outra de tempo de vida longo ´e de muita importância no campo do processamento quântico da informação
Nessa tese tratamos de dois trabalhos distintos, ambos relacionados a fenômenos de interação entre luz e átomos. O primeiro trabalho tem como objetivo avaliar a troca de momentum e energia entre um pulso de onda plana e um átomo imerso em um meio material através de um modelo microscópico clássico. Comparamos nosso resultado com as formulações de Abraham e Minkowski para o momentum de uma onda eletromagnética se propagando em um meio material. A formulação de Abraham prevê que o momentum da onda deve ser (1/n)E/c, em que E é a sua energia, c a velocidade da luz no vácuo e n o índice de refração do meio. Já a formulação de Minkowski prevê um momentum igual a nE/c. Aqui avaliamos o momentum recebido por um átomo por uma onda eletromagnética em um meio dielétrico linear não-magnético, não-dispersivo e com índice de refração próximo de 1. Tratamos o átomo classicamente como um oscilador harmônico. Tratamos o meio microscopicamente como uma coleção de dipolos elétricos que geram uma segunda onda eletromagnética que se superpõe com a onda incidente. Mostramos que a superposição dessas ondas transfere para o átomo um momentum proporcional ao índice de refração, mas menor que o momento de Minkowski. No segundo trabalho exploramos a interação entre luz e átomos frios, e como ela pode ser usada para armazenar informação quântica e manipular estados quânticos. Estados quânticos codificados em luz são amplamente utilizados em aplicações de computação e telecomunicação quântica por sua velocidade rápida de transmissão em meios transparentes, apresentar pouco ruído e alta coerência. Um grau de liberdade útil para essa tarefa é o modo espacial. Luz, por outro lado, é difícil de se armazenar por grandes períodos de tempo, o que levou ao desenvolvimento de protocolos de transferência de informação da luz para átomos frios para possibilitar o armazenamento. Entre esses protocolos, destacamos o esquema DLCZ para memórias quânticas. Utilizando os recursos tratados, propomos um protocolo original que permite criar qudits codificados em modos Hermite-Gaussianos ou Laguerre-Gaussianos de fótons únicos a partir de feixes clássicos interagindo com memórias quânticas. Mostramos como a informação clássica codificada em modos espaciais de um campo eletromagnético clássico pode ser transformada em informação quântica. Fazemos o tratamento teórico quântico que demonstra quantitativamente a validade do nosso protocolo. Mostramos as condições necessárias e o regime em que um fóton pode ser produzido com o mesmo modo espacial de um feixe clássico com certa Ądelidade. Também propomos uma maneira de simular o emaranhamento produzido pelo decaimento espontâneo e a emissão e detecção de um fóton por um de dois átomos inicialmente excitados com esse esquema.
Neste trabalho, utilizamos uma memoria quântica formada por uma nuvem de atomos de 3 niveis para estudar a dinâmica de emissao de luz em estado de Fock contendo uma ou duas excitacoes, explicitando o carater superradiante nestes processos. Um feixe laser de escrita pode induzir transicoes nesses atomos deixando uma ou duas excitacoes coerentemente distribuidas na nuvem, armazenando informacao. Posteriormente, um feixe laser de leitura retira essas excitacoes na forma de fotons que sao emitidos de forma superradiante e num modo que depende da informacao armazenada. Com este tipo de arranjo, e possivel atestar o carater quântico da luz e garantir que uma formulacao semi-classica e inadequada para descrever o fenomeno. Como elemento principal, desenvolvemos uma teoria analitica para a interacao dos atomos com a luz, obtendo o perfil espaco-temporal da emissao e demonstrando que os fotons gerados na leitura se acoplam a um modo do campo conjugado ao utilizado durante a escrita para preparar o estado da nuvem. De acordo com a teoria, o pacote de onda de dois fotons e consistente com o perfil temporal obtido na emissao de fotons independentes e identicos ao obtido na emissao superradiante de um unico foton. Estas conclusoes sao comparadas com experimentos de armazenamento de informacao quântica por nuvens de atomos frios realizados pelo grupo de otica quântica da UFPE, em que podemos constatar uma boa concordância entre os resultados experimentais e as previsoes teoricas. Esses estudos permitiram a caracterizacao, pela primeira vez, da emissao superradiante de dois fotons por um conjunto de atomos.