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.
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.
Este trabalho visa o estudo de colisões atômicas mediadas por fótons. Devido à presença da luz ressonante consideramos em nosso sistema os processos de excitação e decaimento atômicos. Em particular, o decaimento atômico tem sua importância no estudo das armadilhas magneto-ópticas, pois este decaimento poder ser um dos fatores que limita a permanência dos átomos confinados neste tipo de armadilha. Apresentaremos uma formulação inédita para a resolução numérica das equações de populações e coerências que descrevem o processo colisional para um par atômico de átomos de dois níveis. Nesta formulação, não utilizamos aproximação, com isso foi possível também, neste trabalho, checarmos a validade da teoria semi-clássica, uma vez que esta é elaborada por um método aproximativo. Comparando nossa formulação, ao qual batizamos de formalismo quântico, com o formalismo semi-clássico, verificamos que a validade deste último restringe-se quando atribuímos determinados valores para o momentum e largura do pacote de ondas, associado à partícula reduzida. Baseado nas redes-ópticas, apresentaremos também um modelo de experimento que possibilite a preparação de um estado inicial para dois átomos colidentes na presença de um feixe laser de prova. Um outro estudo consiste em verificarmos a existência de um potencial efetivo que possibilite descrever o mesmo resultado, assintoticamente, utilizando os formalismos quântico e o Liouvilliano clássico
Este trabalho visa o estudo de colisões atômicas mediadas por fótons. Devido à presença da luz ressonante consideramos em nosso sistema os processos de excitação e decaimento atômicos. Em particular, o decaimento atômico tem sua importância no estudo das armadilhas magneto-ópticas, pois este decaimento poder ser um dos fatores que limita a permanência dos átomos confinados neste tipo de armadilha. Apresentaremos uma formulação inédita para a resolução numérica das equações de populações e coerências que descrevem o processo colisional para um par atômico de átomos de dois níveis. Nesta formulação, não utilizamos aproximação, com isso foi possível também, neste trabalho, checarmos a validade da teoria semi-clássica, uma vez que esta é elaborada por um método aproximativo. Comparando nossa formulação, ao qual batizamos de formalismo quântico, com o formalismo semi-clássico, verificamos que a validade deste último restringe-se quando atribuímos determinados valores para o momentum e largura do pacote de ondas, associado à partícula reduzida. Baseado nas redes-ópticas, apresentaremos também um modelo de experimento que possibilite a preparação de um estado inicial para dois átomos colidentes na presença de um feixe laser de prova. Um outro estudo consiste em verificarmos a existência de um potencial efetivo que possibilite descrever o mesmo resultado, assintoticamente, utilizando os formalismos quântico e o Liouvilliano clássico
Nesta tese discutimos alguns aspectos fundamentais da teoria quântica de um ponto de vista mais contemporâneo, onde tambem pudemos desenvolver tres trabalhos. No primeiro analisamos teoricamente um interferometro de fenda dupla para atomos. Mostramos que se os autoestados de energia do atomo estao correlacionados com os comportamentos de particula e de onda do mesmo, fenomenos complementares podem ser medidos simultaneamente, indicando uma reinterpretacao do principio da complementaridade. O mesmo aparato tambem apresentou propriedades de apagador quântico. No segundo apresentamos um interferometro de duas particulas e a maneira como a decoerencia afeta o grau de interferencia. Mostramos como os constituintes do ambiente, aqui considerados como fotons, podem destruir a oscilacao na taxa de coincidencia de deteccao das particulas. Devido a sua caracteristica temporal, chamamos este processo de decoerencia temporal quântica. No ultimo trabalho estudamos a existencia de uma nova familia de solucoes ortogonais da equacao paraxial da luz. A amplitude complexa desses feixes sao proporcionais as funcoes hipergeometricas confluentes, que denominamos modos hipergeometricos do segundo tipo (HyG-II). Demonstramos formalmente que um meio com um perfil hiperbolico de indice de refracao pode gerar e suportar essa classe de feixes. Uma vez que esses modos sao autofuncoes do momento angular orbital do foton, concluimos que uma fibra otica com este perfil de indice, em certas situacoes, poderia levar vantagem em relacao a outras fibras com indice variavel na capacidade de transmissao de dados.
Nessa tese discutimos aspectos teóricos e experimentais da estatística de correlação não clássica de dois fótons. Nosso sistema de interesse é um ensemble de átomos frios de rubídio (87Rb). Nesse trabalho nós apresentamos a otimização de correlações não clássicas observadas em pares de fótons gerados por um processo de mistura de quatro ondas em ensembles de átomos de dois níveis puros. Nos zemos isso com o uso de ltros Fabry- Perot com largura de 600 Mhz. Para quanticar as correlações usamos uma quantidade chamada "Inequação de Cauchy-Schwarz", dessa forma foi possível obter Rmax = 4.9 ≰ 1 com o uso dos ltros espectrais. A violação dessa inequação acontece na escala de nanosegundos e ela é sensível à processos que pertubem a fase atômica, porém é robusta ao aumento do número de átomos e ao aumento da intensidade do feixe de excitação. Além disso, é crucial notas nessa tese que as correlações acontecem como consequência da interferência de dois processos: Primeiro, um processo que gera luz com frequência igual à frequência do feixe de excitação e um segundo processo que gera luz nas duas bandas laterais. Além disso, apresentamos resultados preliminares que complementam os trabalhos de nosso grupo até este ponto, onde exploramos nosso sistema em regiões de interessa que ainda não tinham sido investigadas.
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.
Neste trabalho, aplicamos a técnica de mistura de quatro ondas para estudar a resposta nãolinear de uma amostra constituída de átomos de Rb, em vapor, com excitações ressonantes por dois e três fótons. As ressonâncias por dois fótons envolvem estados altamente excitados, estados de Rydberg, que podem ser acessados seletivamente, possibilitando uma comparação direta da resposta devido aos diferentes estados nd e (n+2)s, com n variando entre 14 e 20. Neste sistema, investigamos as propriedades do sinal gerado coerentemente em função da intensidade dos feixes incidentes e da densidade atômica. Duas configurações foram estudadas: i) colinear, onde os feixes de excitação incidem na amostra em uma mesma direção, e ii) de feixes cruzados, onde introduzimos um ângulo de cruzamento, q , entre os feixes incidentes. A variação da intensidade do sinal gerado com os números quânticos n e l permite uma clara distinção dos vários caminhos de excitação, incluindo as diferentes contribuições dos níveis de estrutura-fina dos estados 5p e 6p. Na configuração colinear e em altas densidades atômicas dois efeitos são analisados: i) a supressão do sinal gerado na posição da ressonância de três fótons, devido a efeitos de interferência destrutiva entre os campos incidentes e os campos gerados na amostra; e ii) um alargamento no perfil das linhas espectrais correspondentes às ressonâncias de dois fótons, indicando uma contribuição de mecanismos de auto-alargamento. Na configuração de feixes cruzados, investigamos o efeito cooperativo de deslocamento em frequência relacionado à ressonância de três fótons, o qual apresenta uma dependência tanto com a densidade atômica como com a interação com o próprio campo gerado. Mostramos que esses resultados, incluindo os efeitos de deslocamento em frequência e de casamento de fase, podem ser bem descritos por um modelo teórico simples baseado nas equações de Maxwell-Bloch semiclassicas, com um tratamento perturbativo nos campos incidentes. Em particular, obtemos uma estimativa para a seção de choque de auto-alargamento associada às coerências induzidas por dois fótons, bem como, uma boa descrição da dependência com q do deslocamento em frequência cooperativo. A etapa final deste trabalho envolve a montagem e caracterização de uma armadilha magnetoótica de Rb, visando o estudo da interação entre estados excitados a partir da coerência induzida por processos não-lineares.