[pt] O bunching de fótons é um dos mais celebrados efeitos de interferência de dois fóotons, associado à tendéncia de fótons indistinguíveis de tomarem o mesmo caminho quando há uma superposição dos pacotes de onda em um combinador de feixes óptico simétrico. Nós exploramos o fenômeno de interferência de dois fótons e mostramos que: a característica espectral de uma fonte de luz pode ser determinar através da técnica de Espectroscopia de Transformada de Fourier de Poucos Fótons de alta resolução que se mostra como uma técnica útil para a caracterização espectral de fontes ópticas débeis abaixo do limite coberto por técnicas clássicas de batimento heteródino; uma fonte de fótons com estatística sub-Poisson, a Fonte de Fótons Anunciadas com Óptica Linear, pode ser construída baseada apenas em óptica linear e estados coerentes atenuados uma vez que os anúncios sejam sintonizados nos picos de coincidência de um interferograma de Hong-Ou-Mandei quando o interferômetro é alimentado com estados em frequências diferentes; uma modificação do interferômetro de Hong-Ou-Mandel produz um aumento no número de coincidências, ao invés de sua diminuição, quando os pacotes de onda estão perfeitamente superpostos no interferômetro e o anúncio de fótons sintonizados nesse pico gera um feixe com distribuição sub-Poisson. A descrição matemática de cada experimento é detalhada e uma revisão extensa das ferramentas teóricas e práticas necessárias para o entendimento dos resultados é apresentada.
[pt] O bunching de fótons é um dos mais celebrados efeitos de interferência de dois fóotons, associado à tendéncia de fótons indistinguíveis de tomarem o mesmo caminho quando há uma superposição dos pacotes de onda em um combinador de feixes óptico simétrico. Nós exploramos o fenômeno de interferência de dois fótons e mostramos que: a característica espectral de uma fonte de luz pode ser determinar através da técnica de Espectroscopia de Transformada de Fourier de Poucos Fótons de alta resolução que se mostra como uma técnica útil para a caracterização espectral de fontes ópticas débeis abaixo do limite coberto por técnicas clássicas de batimento heteródino; uma fonte de fótons com estatística sub-Poisson, a Fonte de Fótons Anunciadas com Óptica Linear, pode ser construída baseada apenas em óptica linear e estados coerentes atenuados uma vez que os anúncios sejam sintonizados nos picos de coincidência de um interferograma de Hong-Ou-Mandei quando o interferômetro é alimentado com estados em frequências diferentes; uma modificação do interferômetro de Hong-Ou-Mandel produz um aumento no número de coincidências, ao invés de sua diminuição, quando os pacotes de onda estão perfeitamente superpostos no interferômetro e o anúncio de fótons sintonizados nesse pico gera um feixe com distribuição sub-Poisson. A descrição matemática de cada experimento é detalhada e uma revisão extensa das ferramentas teóricas e práticas necessárias para o entendimento dos resultados é apresentada.
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.
Padrões de speckles são distribuições de intensidade de luz, formados a partir da interação entre uma fonte de luz coerente e uma superfície (ou meio) irregular, que resulta em uma distribuição de vetores de onda com fases aleatórias. Desta forma, como a aleatoriedade tem um papel relevante na formação de padrões de speckles, sua caracterização, bem como a análise de diversos fenômenos ópticos excitados a partir deles, são estudados fazendo uso de ferramentas de análises estatísticas. Entre as ferramentas mais importantes, as funções de correlação de intensidade e a distribuição de probabilidade de intensidade fornecem informações indiretas sobre a coerência da fonte de excitação, o grau de espalhamento (ou aleatoriedade) do meio rugoso, além das propriedades ópticas do meio onde a radiação se propaga. Nesta dissertação são estudadas as mudanças que a estatística dos padrões de speckles sofrem quando se propagam em meios não lineares autodesfocalizadores, com a influência de diversos processos de absorção não linear. Para isto, foi utilizado o corante LDS722 diluído em etanol, como meio não linear, que, ao ser excitado com diferentes intensidades, apresenta os efeitos de absorção saturada de 1 fóton; absorção de 2 fótons; e absorção saturada de 2 fótons. Esses diferentes efeitos foram caracterizados através da técnica de Varredura Z. Para que a propagação não linear dos padrões de speckles seja submetido a influência de um (ou mais de um) efeito dissipativo (simultâneamente) foram gerados três padrões diferentes, com envoltórias de intensidade: (i) Gaussiano, (ii) super-Gaussiano e (iii) top-hat. Desta forma, observou-se que durante a propagação, se o padrão de speckles é afetado apenas por um único processo de absorção não linear, com envoltória de intensidade top-hat, suas propriedades estatísticas apresentam comportamentos diferentes aos padrões afetados por mais de um efeito de absorção não linear em simultâneo, com envoltórias de intensidade Gaussiano e super-Gaussiano. Os estudos realizados nesta dissertação apresentam, pela primeira vez na literatura, resultados sobre a influência dos diversos efeitos de absorção não linear sobre a propagação de padrões de speckles. Além disso, ao monitorar as mudanças nas propriedades estatísticas que os padrões de speckles sofrem ao longo da sua propagação, foi possível propor uma nova metodologia para analisar o efeito de autodeflexão induzido pela modulação do índice de refração não linear. Desta forma propomos o uso de padrões de speckles para a caracterização da resposta óptica não linear de diversos materiais.
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.
A reconstrucão de frentes de onda _e um problema que aparece em muitas áreas da física e da engenharia, e resulta em muitas aplicações importantes. Cristalografia de raios-x, microscopia eletrônica, caracterização temporal de lasers de femtosegundo, deconvolução cega de imagens degradadas e imageamento tomográfico são exemplos de áreas que, quando não envolvendo diretamente a reconstrução de uma frente de onda, se beneficiaram das técnicas desenvolvidas para resolver este problema. Em geral, os dispositivos de medição são capazes de obter as intensidades da frente de onda, mas não suas fases; as ferramentas num_ericas utilizadas para recuperá-las ficaram, portanto conhecidas como algoritmos de recuperação de fase. Neste trabalho, nós propusemos o uso desses algoritmos para reconstruir estados quânticos puros codificados em modos espaciais transversais de fótons { individuais os chamados qudits espaciais. Nós fizemos adaptações significativas aos algoritmos encontrados na literatura, de modo a adequá-los às características experimentais desse tipo de codificação. A mais eminente dessas adaptações foi magnificar as amplitudes no plano de Fourier, de forma a compensar o pequeno intervalo de frequências medidas. Isso resultou em uma grande melhora na qualidade dos resultados. Para demonstrar essa técnica, nós realizamos um experimento de prova de princípio com um feixe _óptico que mimetizava estados de qudits espaciais com dimensões D = 2; 3; 4; 7 e 9. Depois de compensados certos desvios experimentais, os estados recuperados apresentaram fidelidades frequentemente acima de 99% com relação ao estado que se desejava preparar, mostrando que os algoritmos de recuperação de fase podem ser uma boa ferramenta para a caracterização de estados quânticos.
Estuda-se a relação de complementaridade entre a visibilidade e a distingubilidade espectral dos pacotes de onda fotônicos deslocados em frequência em um interferômetro de Hong-Ou-Mandel.Uma definição experimental de K, o parâmetro de distinguibilidade, é proposta e testada para a desigualdade de complementaridade K 2 + V 2 ≤ 1 quando um parâmetro de visibilidade consistente é definido.Os resultados mostram que a distinguibilidade espectral é, de fato, complementar à visibilidade e que o aspecto quântico do fenômeno de interferência de dois fótons pode ser examinado empregando estados coerentes atenuados.
Interférence et intrication quantiques à plusieurs photons Dans cette thèse de doctorat, nous étudions des caractéristiques clés du traitement optique de l'information quantique, à savoir la possibilité d'effectuer des interférences quantiques et de générer de l'intrication avec plusieurs photons. Nous utilisons une boite quantique (QD) à base de semi-conducteurs intégrée dans une cavité optique monolithique de type micropiliers comme source efficace de photons uniques, purs et indiscernables. En interfaçant ces sources de photons uniques très performantes avec des circuits photoniques en verre reconfigurables fabriqués par micro-usinage laser femtoseconde, nous manipulons jusqu'à quatre photons sur puce. Nous explorons d'abord la mesure de l'indiscernabilité à plusieurs photons, une tâche non triviale un état avec n>2 photons. Elle est définie comme le recouvrement de l'état à plusieurs photons avec l'état pur constitué de n photons identiques. Nous utilisons un interféromètre reconfigurable qui possède N=2n modes et inclut un réseau cyclique de séparateurs de faisceau pour quantifier de manière expérimentale l'indiscernabilité d'un état à 4 photons sur une version intégrée à 8 modes de cet interféromètre. Nous mesurons une indiscernabilité à 4 photons de 0,81±0,003, ce qui constitue une première valeur de référence et un point de repère pour les futures mesures de l'indiscernabilité à 4 photons. Ensuite, nous démontrons la génération haute fidélité et à haute efficacité d'un état GHZ quadri-partie sur puce, et nous réalisons une première preuve de principe d'une application concrète en démontrant un protocole de partage de secret quantique quadri-partie. Nous avons atteint une fidélité de F=86 % par rapport à l'état GHZ cible et une pureté d'état de P=76,3 %. Nous avons certifié l'intrication de l'état généré avec une approche semi-indépendante du dispositif à 39 écarts types près. Dans notre protocole de distribution de clés quantiques, nous atteignons un QBER de 10,87 %, juste en dessous du seuil de 11 % nécessaire pour garantir une communication sécurisée. Enfin, nous étudions l'interférence de photons générés par deux sources indépendantes de photons uniques brillants accordables électriquement et fabriquées de manière déterministe à l'aide de la technique de lithographie in situ. Nous mesurons l'interférence à deux photons de quatre paires de sources de photons uniques en utilisant des schémas d'excitation pulsée. En utilisant une excitation résonante, nous montrons que nous pouvons atteindre jusqu'à V =54.8±1 % sans aucun filtrage spectral, et V=69±1 % lorsque les photons uniques sont filtrés pour réduire l'impact du bruit de charge.