Quan els electrons viatgen en un dispositiu electrònic produeixen un camp elèctric oscil·lant que es propaga a al llarg del dispositiu fins als contactes metàl·lics. Aquest fenomen genera un nou corrent que s'anomena corrent de desplaçament, i la seva velocitat de propagació és per naturalesa molt més ràpida que el moviment dels electrons que la produeixen. Tanmateix, aquest nou component és, en general, ignorat en els models de transport quàntic independents del temps. En un treball recent, mitjançant l'ús de la formulació Bohmiana de la mecànica quàntica, el grup de recerca dirigit pel professor Xavier Oriols ha desenvolupat un model de transport electrònic dependent del temps que inclou aquest component en l'estimació del corrent total en dispositius quàntics. La consideració del corrent de desplaçament proposat al treball obre moltes noves oportunitats per a l'electrònica a freqüències de TeraHertzs (THz) en escenaris quàntics.
Quan els electrons viatgen en un dispositiu electrònic produeixen un camp elèctric oscil·lant que es propaga a al llarg del dispositiu fins als contactes metàl·lics. Aquest fenomen genera un nou corrent que s'anomena corrent de desplaçament, i la seva velocitat de propagació és per naturalesa molt més ràpida que el moviment dels electrons que la produeixen. Tanmateix, aquest nou component és, en general, ignorat en els models de transport quàntic independents del temps. En un treball recent, mitjançant l'ús de la formulació Bohmiana de la mecànica quàntica, el grup de recerca dirigit pel professor Xavier Oriols ha desenvolupat un model de transport electrònic dependent del temps que inclou aquest component en l'estimació del corrent total en dispositius quàntics. La consideració del corrent de desplaçament proposat al treball obre moltes noves oportunitats per a l'electrònica a freqüències de TeraHertzs (THz) en escenaris quàntics.
El treball presentat en aquesta tesi es dedica a la comprensió de desafiaments pràctics i conceptuals en la simulació de propietats dinàmiques més enllà de l'aproximació quasi-estàtica en dispositius quàntics d'estat sòlid en escenaris on és necessari un tractament mecànic quàntic complet. Els resultats d'aquesta tesi són particularment rellevants per al càlcul de les fluctuacions del corrent elèctric en el règim de THz, per a l'avaluació dels temps de túnel que defineixen la freqüència de tall dels dispositius operats a alta freqüència, o per a l'avaluació del treball termodinàmic per a la realització de motors tèrmics quàntics. Les propietats dinàmiques esmentades impliquen mesures en diversos temps i, per tant, són sensibles a la ""retracció"" quàntica de la mesura. En el context de la mecànica quàntica ortodoxa, la definició d'aquestes propietats dinàmiques no es pot desvincular de l'especificació de l'aparell de mesura. És a dir, definir propietats dinàmiques intrínseques o independents dels aparells de mesura és incompatible amb els postulats de la mecànica quàntica ortodoxa. Per tot plegat, un enginyer de dispositius com jo, que treballa en problemes pràctics relacionats amb els dispositius d'estat sòlid actuals i futurs, es veu obligat a aprofundir en els fonaments de la mecànica quàntica. En aquest sentit, mostraré que les dificultats associades a la comprensió de propietats dinàmiques de sistemes quàntics es poden resoldre mirant més enllà de la mecànica quàntica ortodoxa. En particular, he explorat la interpretació modal de la mecànica quàntica, que és una teoria quàntica matemàticament precisa que reprodueix tots els fenòmens de la mecànica quàntica. Mostraré que les propietats intrínseques es poden definir fàcilment en aquest nou context (no ortodox). Demostraré també que les propietats intrínseques es poden identificar amb la mesura de "weak values" i, per tant, que es poden mesurar. Centrat en una teoria modal particular, viz., la mecànica de Bohm, es discutirà i s'aplicarà un simulador de transport d'electrons per abordar qüestions tant metodològiques com pràctiques relacionades amb la simulació del transport quàntic d'electrons. L'ontologia de la mecànica de Bohmian permet descriure de manera natural sistemes quàntics oberts monitoritzats contínuament amb una descripció precisa dels estats condicionals per als règims markovians i no markovians. Això ajuda a proporcionar un enfocament alternatiu a la matriu densitat en la descripció de sistemes quàntics oberts, que escala exponencialment amb el nombre de graus de llibertat. Tantmateix, l'estratègia d'estats condicionals Bohmians, que ha conduït al desenvolupament del simulador de transport d'electrons BITLLES, es demostrarà en el càlcul dels temps de permanència dels electrons en una barrera de grafè de dos terminals. Es demostrarà que les trajectòries de Bohmian són molt adequades per proporcionar una descripció inequívoca dels temps de trànsit (túnel) i la seva relació amb les freqüències de tall en dispositius electrònics pràctics. Finalment, es discutirà un protocol que incorpora mesures similars als "collective measurements" per eludir la incertesa de mesura en dispositius electrònics de computació clàssica i quàntica.
La mecànica quàntica va néixer a començaments del segle passat per a explicar fenòmens que els models de l'època no podien explicar. Des de llavors n'han aparegut diferents formalismes i interpretacions, cadascun amb les seves peculiaritats, que permeten proposar solucions diferents a alguns problemes quàntics o ajudar a descriure'n la dinàmica. Al mateix temps, l'estudi de la llum ha seguit de prop el desenvolupament de la teoria quàntica: des del seu inici amb la descripció que va fer Albert Einstein de l'efecte fotoelèctric fins al desenvolupament de les font de llum làser. De fet, la llum làser ha demostrat ser una eina molt útil per a induir, manipular i mesurar el comportament quàntic de la matèria. Per exemple, els làsers han permès el desenvolupament de tècniques per a refredar, capturar i manipular àtoms neutres. Les ones de matèria atòmica en potencials òptics, elèctrics i magnètics s'han utilitzat per a posar a prova els principis de la mecànica quàntica i crear-ne aplicacions en, per exemple, el processat d'informació quàntica o l'atomtrònica, on els àtoms atrapats constitueixen dispositius anàlegs als díodes i transistors electrònics. D'altra banda, durant els últims cinquanta anys la intensitat de les fonts de llum ha experimentat un creixement gairebé exponencial. Aquests desenvolupaments han desafiat la física a trobar una descripció per als processos bàsics en la interacció entre la llum i la matèria, molt més complexos que l'efecte fotoelèctric d'Einstein, provocant fenòmens com la ionització multifotònica o l'emissió de radiació d'harmònics d'ordre alt. El punt de partida d'aquesta tesi és la narració del desenvolupament de la mecànica quàntica, després de la qual presentem els dos formalismes matemàtics de la teoria quàntica que usarem: la interpretació estàndard, que ens permet representar la dinàmica ondulatòria de la matèria, i la de de Broglie-Bohm, on la dinàmica es descriu a partir de trajectòries. La tesi tracta sobre dos sistemes òptics quàntics diferents, és a dir, sobre la interacció de la llum i la matèria a nivell quàntic. El primer sistema que estudiem és la manipulació coherent d'àtoms ultrafreds atrapats en potencials òptics. En particular, estudiem l'anàleg per a àtoms en un potencial amb tres trampes òptiques de la transferència adiabàtica Raman estimulada (STIRAP, de les sigles en anglès) de l'òptica quàntica. Gràcies al formalisme de de Broglie-Bohm, demostrem que la descripció d'aquest transport per a un àtom individual (o un condensat de Bose-Einstein) necessita correccions relativistes en alguns règims de paràmetres corresponents a realitzacions molt lentes del procés. A més, presentem pel cas de múltiples àtoms una tècnica per a transportar trampes buides en una fila de trampes òptiques i dissenyem dispositius atomtrònics per al control del flux d'ones de matèria. El segon sistema que estudiem és la ionització de l'hidrogen mitjançant polsos làser ultraintensos. Usem les trajectòries de de Broglie-Bohm per a obtenir informació sobre la dinàmica i proposar mètodes per a calcular, en un model unidimensional, els espectres de ionització per sobre del llindar i de generació d'harmònics. També estudiem la dinàmica d'ionització d'un àtom d'hidrogen interaccionant amb un feix de llum que porta moment angular orbital mitjançant càlculs tridimensionals, demostrant que és possible transmetre el moment angular orbital de la llum als electrons. Les trajectòries de de Broglie-Bohm de la dinàmica del procés permeten una visualització molt clara de l'absorció de moment angular per part dels electrons.
Aquesta tesi doctoral tracta sobre alguns aspectes de la generacio de comprimida en cavitats no lineals tipus Kerr. La comprimida es un dels tipus de llum quantica, un tipus de que posseeix propietats relatives a les fluctuacions en els valors esperats dels seus observables de les que no es pot donar compte si no es mitjancant l'us de la teoria quantica de la radiacio. L'estat buit del camp electromagnetic posseeix fluctuacions d'acord amb el principi d'incertitud d'Heisenberg. En aquest context, denominem comprimida a un tipus de radiacio que presenta en algun dels seus observables fluctuacions menors que les corresponents a l'estat buit. Aquest tipus especial de radiacio ha assolit forca importancia per diverses raons. D'una banda, permet anar mes enlla dels limits de la precisio que la mecanica quantica imposa per a les mesures realitzades emprant estats coherents - semblants als camps produits pels lasers -. A mes a mes, cal afegir que una nova area d'aplicacio ha fet creixer l'interes per la comprimida: el camp de la informacio quantica; coincidencia d'interessos ja que compressio de la i entrellacat quantic (entanglement) son dues cares de la mateixa moneda i l'entanglement es l'element fonamental responsable dels avantatges de la informacio quantica respecte de la informacio classica. Donat que l'estudi d'aquest tipus de implica l'analisi quantica cal remarcar que en aquest treball unicament descriurem quanticament la radiacio electromagnetica, pero obviarem la quantitzacio de la materia i de les interaccions a les quals puguera donar lloc. Aixi doncs, si partim d'aquesta descripcio, l'obtencio d'aquesta comprimida exigeix que estiga generada per processos optics no lineals, es a dir, processos l'Hamiltonia dels quals siga no lineal en els operadors creacio i destruccio quantics. La dinamica seguida en la interaccio entre el medi no lineal i el camp electromagnetic aporta graus alts de compressio per alguns valors dels parametres del sistema i dels camps injectats, els punts que anomenem critics i que corresponen als valors per als quals l'evolucio del sistema presenta una bifurcacio o be perque entra en un regim de biestabilitat o be perque s'engega un altre mode del camp electromagnetic. Pel que fa a les interaccions no lineals, tambe poden ser de diversos tipus, pero les de tipus ??²? i les del tipus ??³? son les mes emprades, ja que les interaccions ressonants son frequentment acompanyades de processos d'emissio espontania que devaluen la compressio. En aquesta tesi s'estudien les propietats per a produir comprimida de les cavitats no lineals del tipus ??³? tambe conegudes com cavitats Kerr. Pel que fa a la redaccio d'aquesta tesi, es pot agrupar en dos grans blocs. Per una part, hem dut a terme una contribucio en el domini de les eines matematiques que son necessaries per estudiar aquestos processos. La nostra contribucio, relativa a l'us de les distribucions de quasiprobablitat, apareix dins d'aquesta exposicio. A la segona part de la tesi s'aborden la resta d'aportacions: generacio de amb polaritzacio comprimida en una cavitat Kerr vectorial, obtencio de compressio no critica per trencament espontani de la simetria de rotacio i tambe per trencament espontani de la simetria de polaritzacio. Aquestes dues ultimes contribucions constitueixen exemples particulars d'un mecanisme de generacio de comprimida que ha estat proposat originalment pel nostre grup d'investigacio i tot fa pensar que aquesta tecnica fara possible obtenir nivells de compressio encara millors que els detectats fins aquest moment. El treball es tanca amb una recapitulacio critica dels resultats obtinguts aixi com de les perspectives de futur que s'obren amb la seua cloenda.
Aquest treball s'emmarca en el camp de l'estudi i simulació del comportament de sistemes quàntics complexos, les propietats dels quals vénen dictades per les lleis de la física quàntica. Aquestes juguen un paper fonamental en una varietat de sistemes físics, des de matèria condensada, sistemes superfluids i superconductors, líquids quàntics com l'He a molt baixa temperatura o trampes d'àtoms freds formant condensats de Bose - Einstein. En l'estudi de tots aquests sistemes han adquirit un paper de gran rellevància les tècniques de Quantum Monte Carlo, que es basen en la simulació directa de les partícules que componen el sistema, que es regeixen universalment per l'equació de Schrödinger, que descriu exactament, excepte per efectes relativistes, el comportament quàntic de la matèria. En aquest projecte ens dedicarem a crear una eina que apliqui mètodes estocàstics actuals, i permeti comparar-los amb la nostra implementació d'un mètode molt recent que aconsegueix extreure informació molt precisa del sistema basant-se en postulats de la mecànica quàntica.
Un dels sitemes més simples per estudiar la interacció llum-matèria en circuits superconductors quàntics consisteix en un qubit superconductor acoblat a un ressonador. En general, per aplicacions de computació quàntica o altres aplicacions relacionades amb qubits, l'acoblament entre el qubit i el ressonador es dissenya amb valors molt per sota de les freqüències naturals individuals del sistema, permetent així aproximacions que resulten en un marc matemàtic relativament simple. A mesura que l'acoblament augmenta, les aproximacions comencen a fallar i el sistema entra el que es coneix com a règim d'acoblament ultrafort (USC de les sigles en anglès), on la física del sistema encara es troba en gran part inexplorada. En aquesta tesi proposem materials superinductors com a un nou enfoc per acoblar un qubit de flux de manera ultraforta a un ressonador. Generalment, aconseguir acoblaments en el rang d'USC ha comportat dissenys que perjudicaven la coherència dels qubits. Per eludir complicacions, introduïm aquest nou enfoc amb superinductors. L'elevada inductància cinètica associada a aquests materials permet dissenyar grans inductàncies compartides a la vegada que es mantenen dimensions del qubit relativament petites i corrents persistents baixes. Així mateix, presentem un disseny que consisteix en un qubit de flux de 3 unions Josephson amb derivació capacitiva acoblat galvànicament a un ressonador mitjançant un fil d'Alumini granular (grAl). Derivem els Hamiltonians necessaris així com els mètodes numèrics per analitzar de manera teòrica l'espectre i obtenir una estimació del coeficient d'acoblament del sistema. D'altra banda, proporcionem els detalls de la recepta de fabricació de qubits consistent en múltiples passos que permeten assegurar que el xip final es trobi en el règim d'USC. Mostrem també les mesures de l'espectre d'un sistema qubit de flux ressonador amb corrent persistent baixa i una inductància compartida elevada. Observem elements característics del règim USC, com ara l'efecte dels termes contra-rotants que s'evidencia com a un desplaçament de Bloch-Siegert de 23 MHz. El coeficient d'acoblament és prou gran per entrar al rang pertorbatiu del règim USC amb un valor g/\omega_r ~ 0.13. El circuit mesurat serveix com a prova de concepte per demostrar la possibilitat d'arribar a acoblaments ultraforts qubit-ressonador amb corrents persistents baixes i obre la possibilitat de realitzar estudis coherents al règim d'USC. L'ús de superinductors per estudiar el règim USC també motiva la cerca de nous materials amb propietats superiors a les del grAl. Així mateix, presentem el desenvolupament d'un nou material superconductor basat en nitridació d'Alumini i que es pot obtenir mitjançant la deposició per pulverització catòdica d'Alumini en differents fraccions de flux de N2 /Ar. En aquesta tesi, anlitzem les principals propietats superconductores de capes fines de $\SI{100}{\nano\meter}$ d'Alumini nitridat (NitrAl). Mostrem mesures de l'increment de temperatures crítiques que arriben al valor màxim de Tc = (3.38 +- 0.01) K i resil·liències a camps magnètics en el pla per sobre d'1 T. De la mateixa manera que en grAl, observem una distribució en foma de cúpula de la temperatura crítica en funció de la resistivitat a tempertura ambient. Addicionalment, estimem la inductància cinètica que va des d'1 pH/sq per les mostres menys resistives, fins a 400 pH/sq per aquelles capes més resistives. Finalment, presentem els primers passos en la caracterització de les pèrdues del NitrAl i la implementació del material com a superconductor i superinductor en tecnologies de circuits quàntics.
El camp de la informació quàntica, que sorgeix de la combinació entre la teoria de la informació i la física quàntica, ha experimentat un enorme progrés durant les darreres dècades, donant lloc a avenços revolucionaris en una àmplia varietat de camps interdisciplinaris, com ara la computació quàntica, la comunicació quàntica, els mesuraments d'alta precisió, i l'estudi fonamental de la teoria quàntica. No obstant això, les ambicioses metes en què la comunitat científica esta centrada, per exemple, la criptografia quàntica, els simuladors quàntics, o fins i tot la computació quàntica, tot just han començat a destacar.En la majoria d'aplicacions de la informació quàntica, per tal d'emmagatzemar i processar la informació s'utilitzen normalment sistemes amb un gran nombre d'àtoms, mentre que la llum s'utilitza com una eina per a manipular i realitzar operacions lògiques, així com per transmetre els bits quàntics entre nodes distants d'una xarxa quàntica. Per tant, la realització d'una interfície adequada entre la llum i els conjunts d'àtoms és essencial en la ciència de la informació quàntica. Quant a la interacció llum-matèria, un dels sistemes més rellevants són els àtoms de tres nivells en interacció amb un parell de camps electromagnètics. Els sistemes de tres nivells mostren una rica varietat de fenòmens quàntics a causa de les interferències produïdes degut a les dues vies d'absorció de la llum. Aquestes interferències quàntiques donen lloc, per exemple, a l'atrapament coherent de població, la transparència induïda electromagnèticament, o el passatge adiabàtic via estimulació Raman, que han trobat aplicacions en moltes àrees de la informació quàntica.Aquesta tesi, que recull el treball d'investigació que he realitzat durant el meu doctorat sota la guia i el suport dels meus supervisors i col·laboradors, se centra principalment en aplicacions de la informació quàntica amb àtoms de tres nivells en interacció amb camps electromagnètics, tant a nivell semi clàssic i com completament quàntic. Els tres primers capítols de l'obra es centren en l'estudi teòric de nous mètodes per implementar memòries quàntiques per qubits de fotons individuals en superposició de dues components, tant de la polarització com de la freqüència. Les memòries quàntiques són dispositius capaços d'emmagatzemar i recuperar a voluntat estats quàntics de la llum amb una alta eficiència i fidelitat, i són components essencials en moltes aplicacions de la informació quàntica, com ara en repetidors quàntics o en fonts de fotons individuals. Així, l'estudi de mètodes per emmagatzemar diferents tipus de codificació de la informació quàntica en fotons és una tasca essencial.D'altra banda, propostes addicionals en el context del processat d'informació quàntica, dutes a terme durant el meu doctorat, es recullen en els capítols finals. En particular, primer ens centrem en el problema de l'adreçament de llocs individuals per àtoms neutres ultra freds en xarxes òptiques amb un àtom per lloc. Aquesta proposta es du a terme mitjançant l'ús d'una tècnica de passatge adiabàtic selectiu segons la posició. A més, en segon lloc ampliem un model teòric capaç de proporcionar prediccions fiables sobre un experiment per a la producció de parells de fotons individuals, d'alta puresa i ample de banda controlat, utilitzant una configuració de conversió paramètrica espontània.