La tesis esta dividida en tres partes. La parte principal de la misma ha sido el estudio de analogos de radiacion de Hawking en condensados de Bose-Einstein, con vistas a una eventual propuesta de realizacion experimental. Con este objetivo, se ha estudiado numericamente la formacion del analogo de un agujero negro en un condensado de Bose-Einstein al descender la amplitud de la red optica que inicialmente confinaba dicho condensado. Este trabajo propone un nuevo escenario experimental realista que complementa las actuales propuestas. Aparte de la realizacion de analogos gravitacionales, el escenario obtenido puede ser de interes en el campo de transporte cuantico pues la configuracion alcanzada es capaz de proporcionar una corriente supersonica con una velocidad muy bien definida.
Asimismo, desde un punto de vista mas teorico, analizamos posibles criterios para distinguir el genuino efecto Hawking de emision espontanea de fonones de la senal termica o las propias fluctuaciones coherentes de la funcion de onda macroscopica. Proponemos la violacion de desigualdades de Cauchy-Schwarz como una senal inequivoca de la presencia de radiacion de Hawking espontanea, unificando este criterio con el uso de entrelazamiento cuantico para caracterizar el efecto Hawking y analizamos su posible implementacion experimental. Los resultados de este capitulo son de una notable importancia de cara al diseno de futuros esquemas de deteccion en el laboratorio asi como en otros campos tales como la optica o la informacion cuanticas.
Tambien estudiamos en esta tesis mediante simulacion numerica otro tipo de analogo gravitacional: el conocido como efecto laser de agujeros negros. Aparte de confirmar las predicciones teoricas para el estado estacionario a tiempos largos, hemos identificado con claridad un regimen en el cual el sistema emite de manera periodica trenes de solitones. Esta suerte de laser de solitones representa el analogo mas fuerte con los laseres opticos, que ademas podria tener potenciales aplicaciones en el campo del trasporte cuantico o la atomotronica. Este trabajo es el resultado de una colaboracion con el BEC Center de Trento.
En la segunda parte de la tesis pasamos al limite opuesto de una nube termica de bosones por encima de la temperatura critica. Analizando el efecto producido por la introduccion de un pulso de Bragg, encontramos, usando los formalismos clasico y cuantico, que el patron periodico de densidad inducido decae al valor inicial de equilibrio. Sin embargo, en vez de la usual relajacion colisional de los modos colectivos, el mecanismo responsable de dicho decaimiento es el desorden termico de las particulas, con un tiempo tipico que depende de la temperatura. Comparando con datos experimentales, encontramos que existe una gran concordancia con las predicciones teoricas. Los resultados aqui presentados pueden ser aplicados de manera directa a otros sistemas tales como la nube termica de un condensado o gases de fermiones a altas temperaturas. Este trabajo se ha realizado conjuntamente con el Instituto Technion de Haifa.
Finalmente, en la tercera parte, cambiamos a un sistema totalmente distinto: electrones en grafeno bajo la presencia de un campo magnetico. En particular, analizamos el estado Hall cuantico en el punto de neutralidad de carga de una bicapa de grafeno utilizando la aproximacion de Hartree-Fock dependiente del tiempo. Asi, tras rederivar el diagrama de fases de campo medio, estudiamos los modos colectivos del sistema. Entre los resultados mas interesantes, cabe destacar la presencia de una simetria continua residual justo en la transicion entre las fases F y FLP. Tambien demostramos que las fases CAF y PLP pueden presentar inestabilidades dinamicas. La extension de estos resultados al grafeno monocapa es directa. Tambien analizamos los efectos derivados de permitir la mezcla de niveles de Landau. Esta parte de la tesis surgio a raiz de una estancia en la Universidad de Harvard.
La tesis esta dividida en tres partes. La parte principal de la misma ha sido el estudio de analogos de radiacion de Hawking en condensados de Bose-Einstein, con vistas a una eventual propuesta de realizacion experimental. Con este objetivo, se ha estudiado numericamente la formacion del analogo de un agujero negro en un condensado de Bose-Einstein al descender la amplitud de la red optica que inicialmente confinaba dicho condensado. Este trabajo propone un nuevo escenario experimental realista que complementa las actuales propuestas. Aparte de la realizacion de analogos gravitacionales, el escenario obtenido puede ser de interes en el campo de transporte cuantico pues la configuracion alcanzada es capaz de proporcionar una corriente supersonica con una velocidad muy bien definida.
Asimismo, desde un punto de vista mas teorico, analizamos posibles criterios para distinguir el genuino efecto Hawking de emision espontanea de fonones de la senal termica o las propias fluctuaciones coherentes de la funcion de onda macroscopica. Proponemos la violacion de desigualdades de Cauchy-Schwarz como una senal inequivoca de la presencia de radiacion de Hawking espontanea, unificando este criterio con el uso de entrelazamiento cuantico para caracterizar el efecto Hawking y analizamos su posible implementacion experimental. Los resultados de este capitulo son de una notable importancia de cara al diseno de futuros esquemas de deteccion en el laboratorio asi como en otros campos tales como la optica o la informacion cuanticas.
Tambien estudiamos en esta tesis mediante simulacion numerica otro tipo de analogo gravitacional: el conocido como efecto laser de agujeros negros. Aparte de confirmar las predicciones teoricas para el estado estacionario a tiempos largos, hemos identificado con claridad un regimen en el cual el sistema emite de manera periodica trenes de solitones. Esta suerte de laser de solitones representa el analogo mas fuerte con los laseres opticos, que ademas podria tener potenciales aplicaciones en el campo del trasporte cuantico o la atomotronica. Este trabajo es el resultado de una colaboracion con el BEC Center de Trento.
En la segunda parte de la tesis pasamos al limite opuesto de una nube termica de bosones por encima de la temperatura critica. Analizando el efecto producido por la introduccion de un pulso de Bragg, encontramos, usando los formalismos clasico y cuantico, que el patron periodico de densidad inducido decae al valor inicial de equilibrio. Sin embargo, en vez de la usual relajacion colisional de los modos colectivos, el mecanismo responsable de dicho decaimiento es el desorden termico de las particulas, con un tiempo tipico que depende de la temperatura. Comparando con datos experimentales, encontramos que existe una gran concordancia con las predicciones teoricas. Los resultados aqui presentados pueden ser aplicados de manera directa a otros sistemas tales como la nube termica de un condensado o gases de fermiones a altas temperaturas. Este trabajo se ha realizado conjuntamente con el Instituto Technion de Haifa.
Finalmente, en la tercera parte, cambiamos a un sistema totalmente distinto: electrones en grafeno bajo la presencia de un campo magnetico. En particular, analizamos el estado Hall cuantico en el punto de neutralidad de carga de una bicapa de grafeno utilizando la aproximacion de Hartree-Fock dependiente del tiempo. Asi, tras rederivar el diagrama de fases de campo medio, estudiamos los modos colectivos del sistema. Entre los resultados mas interesantes, cabe destacar la presencia de una simetria continua residual justo en la transicion entre las fases F y FLP. Tambien demostramos que las fases CAF y PLP pueden presentar inestabilidades dinamicas. La extension de estos resultados al grafeno monocapa es directa. Tambien analizamos los efectos derivados de permitir la mezcla de niveles de Landau. Esta parte de la tesis surgio a raiz de una estancia en la Universidad de Harvard.
El estudio de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos es un area de investigacion activa. Este tipo de sistema permite fundamental estudios sobre la medicion en el contexto de las variables continuas, en entrelazamiento colectiva y en las simulaciones cuanticas. Este campo de la investigacion tambien es interesante en el contexto de la metrologia cuantica, comunicacion cuantica y la computacion cuantica. En esta tesis dos aspectos complementarios de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos han sido estudiados con iones atrapados y atomos neutros frios. El experimento de iones atrapados pretende evaluar la posibilidad de utilizar grandes nubes de iones para la realizacion de una memoria cuantica con largo tiempo de coherencia. En vez de que el experimento de atomos frios se centro en el uso de medidas de no demolicion cuantica para evaluar estados no gaussianos. Este experimento es parecido a los experimentos de comunicacion cuantica que se desarrollan actualmente. Los iones atrapados enfriados por laser pueden llegar a una fase cristalina debido a la fuerte repulsion de Coulomb entre los iones. En esta fase, las relativas posiciones entre los iones se fijan de manera a evitar las colisiones y los iones que exploran inhomogeneidades del campo magnetico que puede ser una fuente de perdida de coherencia. Con bajo numero de iones, largos tiempos de coherencia han sido demostrados. Con iones numerosos, el mecanismo de captura puede inducir un calentamiento de la nube de iones, haciendo asi mas dificil de obtener el regimen cristalizado. Durante esta tesis, los cristales de Coulomb grandes que contiene mas de 106 iones se han obtenidos y la prueba de la transparencia inducida electromagneticamente en tal sistema ha sido obtenida. Este estudio tambien revelo las limitaciones de este tipo de sistemas que tienen que ser estudiado mas a fondo para obtener una fuerte probabilidad de interaccion con conjuntos de iones frios en un regimen permitiendo largos tiempos de coherencia. Los sistemas de atomos neutros permiten fuertes probabilidades de acoplamiento luz materia, pero generalmente reduce los tiempos de coherencia. Memorias cuanticas, el entrelazamiento entre atomos y la luz, magnetometria de alta precision han sido demostrados en experimentos relacionados con vapores atomicos neutros. El sistema utilizado en esta tesis se ha disenado para permitir que la probabilidad de acoplamiento luz materia sea importante, con pulsos de luz polarizada, lo que permite medir con precision el estado de espin del sistema atomico sin destruccion y con bajo ruido. La medicion del ruido del sistema es mas baja que el ruido atomico, lo que podria inducir el entrelazamiento colectivo de los espines atomicos (a traves del squeezing de espines inducido por la medicion) y mediciones de campo magnetico ultra sensibles. Este sistema esta estrechamente relacionado con sistemas disenados para la creacion de comunicacion cuantica y memorias cuanticas. Los estados atomicos no gaussianos constituyen un recurso para la computacion cuantica y la comunicacion cuantica, en el contexto de los experimentos de fisica atomica, su deteccion puede ser dificil. El trabajo presentado en esta tesis se centra en la deteccion de los estados no gaussianos en conjuntos atomicos utilizando cumulants, y en particular el ruido relacionado con la medicion de los cumulants.
La presente tesis se enmarca dentro de los campos de la Optica Cuantica y la Optica Atomica, mas especificamente en el area de atomos frios y su control y manipulacion mediante laseres. En estas ultimas decadas, estos campos han experimentado un enorme desarrollo, debido principalmente a las nuevas tecnicas que permiten el control y manipulacion de atomos. Estas tecnicas han abierto el campo de las interacciones luz - materia a estudios sobre nuevos efectos y nuevos estados de la materia como el condensado Bose-Einstein o el gas de Tonks-Girardeau.
Esta tesis esta dividida en tres partes. La primera parte estudia iones atrapados y su interaccion con laseres. Los iones quedan atrapados mediante diferentes combinaciones de campos electromagneticos, y pueden ser manipulados y controlados individualmente mediante laseres. En esta primera parte se presenta una generalizacion del concepto de sideband transitions o transiciones de banda lateral, valida para laseres de intensidad y desintonia arbitrarios. Tambien en esta primera parte de la Tesis se estudian los diferentes corrimientos de frecuencia observados en el espectro energetico de un ion atrapado iluminado con un laser.
La segunda parte esta dedicada a mostrar efectos interesantes que se producen en interferometria atomica debido al movimiento cuantico. El uso de atomos en interferometria en lugar de fotones presenta algunas ventajas. Los atomos interaccionan fuertemente con campos electromagneticos debido a su estructura interna, de forma que pueden ser manipulados y controlados de forma muy precisa. Ademas, el hecho de tener masa no nula, permite el estudio de fuerzas gravitacionales. Los efectos debidos al movimiento cuantico se estudian en un interferometro atomico de Mach-Zender, y tambien se estudia la interferometria Ramsey, mostrando que las franjas de interferencia se pueden hacer mas estrechas si los dos campos tienen frecuencias distintas y se controla su diferencia de fase.
Finalmente, la tercera parte trata algunos aspectos novedosos del Efecto Zeno Cuantico. Se comparan medidas pulsadas y continuas en un sistema optico-quantico simple, generalizando resultados anteriores.
En el ultimo capitulo de esta fase se exploran diferentes formas de controlar y manipular el decaimiento exponencial inducido por mediciones frecuentes en sistemas optico-quantico simples. Se examinan la influencia de diferentes factores como la influencia del estado inicial del atomo o el efecto de los terminos contr-rotantes cuando no se aplica la Aproximacion de Onda Rotante o Rotating Wave Approximation (RWA). En particular, a pesar de que los efectos Zeno y anti-Zeno cuanticos estan asociados a dependencias cuadraticas de la probabilidad de supervivencia, se encuentra un efecto anti-Zeno para dependencias lineales de la misma escogiendo adecuadamente el estado inicial y los parametros del laser.
La motivacion de esta tesis es estudiar el entrelazamiento cuantico en general y bajo que circunstancias es maximo en particular. En primer lugar, se analizan desigualdades de Bell desde un punto de vista operacional, se presentan nuevas desigualdades para particulas de dimension mayor que dos y se estudian los estados que las violan maximamente. Dichos estados son del tipo GHZ para las desigualdades que involucran qubits. En el caso de experimentos con qutrits o particulas dimension local mayor, los estados que violan maximamente estas desigualdades son deformaciones de estados GHZ generalizados. Este resultado demuestra que aunque maximo entrelazamiento y la no-localidad son conceptos muy proximos, no son equivalentes. En segundo lugar, se estudia el entrelazamiento multipartito en cadenas de espines. En particular, se usa como figura de merito el hiperdeterminante y los invariantes polinomicos que lo forman, S y T. Estas figuras cuantifican un tipo concreto de entrelazamiento cuatripartito, tal y como se demuestra de un analisis de estados cuanticos bien conocidos como el GHZ o el W. Cuando aplicamos esta figura a una cadena de espines con interaccion tipo Ising, observamos un pico pronunciado cerca de la transicion de fase cuantica. Resultados similares se observan para los modelos de XXZ y de Haldane-Shastry para el caso de los invariantes S y T. Con todo, concluimos que estas figuras de merito son sensibles a las transiciones de fase cuanticas. La segunda parte de la tesis se focaliza en el campo de la computacion cuantica. Dicho campo ha experimentado un crecimiento relevante en los ultimos anos, debido en parte a la mejora tecnologica sobre el control de experimentos cuanticos. Con motivo de este crecimiento, diversas empresas han empezado a desarrollar prototipos de ordenadores cuanticos. Por esta razon, una de las lineas de investigacion en computacion cuantica consiste en proponer metodos para poner a prueba estas maquinas. Uno de los metodos presentados en esta tesis es la simulacion exacta de una cadena de espines con interaccion de tipo XY. Se explicita como debe de ser el circuito cuantico que lleva a cabo dicha simulacion y se propone la simulacion tanto de estados termicos como de la evolucion en el tiempo. Debido a que el modelo XY es resoluble analiticamente, se pueden comparar los resultados obtenidos de la simulacion con el ordenador cuantico con la solucion teorica. Al correr un circuito para cuatro qubits en dos ordenadores de la empresa IBM y uno de la empresa Rigetti computing, obtenemos resultados peores a los esperados. Con ello, concluimos que hay fuentes de error que no se estan teniendo en cuenta en general y que cobran relevancia incluso en circuitos tan pequenos. Ademas de este circuito, proponemos la simulacion de estados altamente entrelazados. La implementacion de estos circuitos constituye un test tan duro como necesario para un ordenador cuantico, debido a que la ventaja de los algoritmos cuanticos radica en la generacion de entrelazamiento. Para finalizar, estudiamos la generacion de entrelazamiento al nivel mas fundamental: la fisica de particulas. Obtenemos que la interaccion de QED viene dictada por el maximo entrelazamiento en aquellos procesos a “tree-level”. Aplicamos la misma filosofia en procesos que involucren corrientes debiles neutras (tambien a “tree-level”) y con ello obtenemos que el angulo de Weinberg debe ser de pi/6 si imponemos que las particulas finales deben estar maximamente entrelazadas, valor muy cercano al experimental.
Como hilo conductor, la tesis trata la posibilidad de caracterizar y detectar propiedades no locales de gases atomicos ultrafrios. La principal motivacion para esta coleccion de propuestas surge del campo de la simulacion cuantica y la informacion cuantica. A continuacion vamos a listar los resultados principales de esta tesis, siguiendo aproximadamente el orden en que han sido estructurados los capitulos: Hemos revisado la forma en la que un modelo de tipo enlace fuerte con particulas masivas puede dar lugar a teorias de fermiones sin masa de Dirac en el limite de baja energia. En particular, se detalla la relacion entre todos los posibles terminos que pueden incluirse en el Hamiltoniano (sin interaccion) y los parametros microscopicos controlables. Las especificidades de la implementacion son explicadas de forma cuantitativa, con el objetivo de realizar una propuesta experimental completa.Por ultimo, se sugiere el empleo de varios protocolos de medida, segun las caracteristicas particulares del experimento que se quiera realizar, y que allanan el camino para la realizacion de simulaciones mas complejas en experimentos similares. Hemos demostrado que un aislante de Chern puede ser implementado y car- acterizado en un experimento de redes opticas. Un indice (o winding number, en ingles) que toma valores en los enteros puede ser medido a partir de imagenes en tiempo de vuelo del gas atomico, lo que resulta equivalente a la medida de su numero de Chern. Hemos comprobado numericamente que el protocolo de deteccion es robusto frente a las inhomogeneidades y temperaturas propias de estos experimentos con redes opticas, como cabe esperar de un invariante topologico entero. Hemos demostrado que el numero de Chern de un sistema 4x4 con invariancia traslacional puede ser descompuesto como la suma de las fases de Berry de dos particiones de tipo pseudoespin. La prueba requiere que dichas particiones no se encuentren maximamente entrelazadas en ningun punto en espacio de momentos -lo que supone una gran restriccion a la hora de seleccionar las biparticiones. En general, esta restriccion implica motivar la eleccion de particiones en base a alguna simetria del problema. Ademas, y basandonos en este resultado y el expuesto en el punto anterior, podemos concluir que el numero de Chern de un sistema compuesto tambien puede ser medido mediante imagenes en tiempo de vuelo; exponemos este resultado con un ejemplo paradigmatico: una propuesta para medir modos de Majorana en un experimento con redes opticas completamente detallado. Hemos construido un modelo de enlace fuerte que incluye el efecto de potenciales Abelianos y no Abelianos sobre fermiones masivos. Las medidas realizadas unicamente en el grado de libertad de espin son suficientes para construir un indice topologico que cambia de valor al cruzar una transicion de fase provocada por el potencial no Abeliano, como se demuestra numericamente. Reafirmando la intuicion de la que nos dota el resultado expuesto en el punto anterior, la cantidad de informacion extraida a partir de estas medidas parciales depende criticamente de la ruptura de simetrias relevantes del problema. Hemos demostrado que la fidelidad local a un estado grafo puede ser medida en un modelo sencillo de bits cuanticos- en una red atomica bipartita. Lo que es mas importante, esta fidelidad contituye un testigo de entrelazamiento genuinamente multipartito que puede ser computado sobre regiones arbitrarias, haciendo uso unicamente de dos conjuntos de medidas simultaneas. Hemos incluido evidencia numerica de que este protocolo funciona aun en presencia de diferentes fuentes de ruido propias de experimentos con redes opticas. Aunque las medidas son en si destructivas, el metodo es util tanto como forma de certificar entrelazamiento entre muchas particulas como para calibrar un experimento que tenga el proposito de construir estados grafo de gran tamano.
El proyecto de investigacion realizado en esta tesis se enmarca dentro del campo de la optica cuantica, y su objetivo principal ha sido el estudio de los efectos que se producen debido a la interaccion entre un atomo ultrafio de dos niveles en movimiento y un campo laser localizado en cierta region del espacio.
Uno de los efectos encontrados es la supresion de las oscilaciones de Rabi cuando el atomo entra en la region iluminada por el laser, que depende de la velocidad de incidencia del atomo en dicha region y constituye un metodo de seleccion de estados: independientemente del estado de incidencia, el estado final puede ser seleccionado variando parametros del laser tales como la intensidad y el desintonizado. Se ha estudiado la analogia optica de este efecto de supresion en terminos de la actividad optica y de la polarizacion de la luz en interaccion con un medio opticamente activo.
Para modelar la interaccion fisica entre el atomo y el laser, hemos obtenido un potencial complejo exacto, no local y dependiente de la energia, que en cierto limite puede aproximarse por un potencial local y dependiente de la energia, que en cierto limite puede aproximarse por un potencial local e independiente de la energia, lo que a su vez justifica el uso de este tipo de potenciales en los modelos de medida de tiempos, en particular en medidas de tiempos de llegada de particulas sujetas a potenciales externos.
Finalmente, usando el potencial complejo hemos propuestos dos metodos de deteccion perfecta de atomos ultrafrios y hemos comparado dicho potencial con otros potenciales absorbentes perfectos basados en argumentos semiclasicos.
Esta tesis trata sobre simulacion cuantica con gases frios en reticulos opticos. Los reticulos opticos permiten atrapar nubes atomicas formadas, formadas tanto por bosones como por fermiones, en potenciales optcos periodicos. Actualmente se posee un control experimental tan grande con estos sistemas que pueden ser usados para simular modelos que son dificiles de estudiar analiticamente o numericamente para comprobar que son buenas descripciones de la naturaleza. Se presentan varias propuestas experimentales para la simulacion de determinados modelos cuanticos de muchos cuerpos. En primer lugar se propone simular la invariancia gauge de un campo magnetico artificial. La eleccion del gauge en que se realiza el experimento se puede cambiar para comprobar que los observables no dependen de esta eleccion. De esta forma, este simulador lleva incorporado un metodo de verificacion. Es decir, podemos saber que el simulador funciona porque exhibe simetria gauge. La segunda propuesta trata de la simulacion del campo de dirac en dos dimensiones en un espacio tiempo curvado. Se presentan realizaciones experimentales concretas para simular, en particular, el universo de Rindler. La tercera propuesta consiste en simular el modelo de Hubbard en una dimension extra, con cuatro dimensiones espaciales. Se discuten posibles observables que prueban que el sistema posee otra dimension espacial. Por ultimo se propone un experimento para simular con un reticulo optico un modelo de espines clasico mediante el calculo de su funcion de particion a temperatura imaginaria. Se estudia la continuacion analitica a temperatura real y el coste experimental de la misma. A continuacion se estudia el poder computacional cuantico del modelo de Ising en dos dimensiones a temperatura real. Por ultimo se propone una aplicacion de este protocolo al calculo de ciertos invariantes de nudos.