Atomic and optical physics are two fields closely connected by a shared range of energy scales, and the interactions between them. Atoms represent the most fundamental components of matter, and interactions with electromagnetic fields are responsible for many properties used to characterize a material, like the emission and absorption of radiation by these systems. Over the last decades, this has allowed us to use light as a tool to access and manipulate the internal states of atomic systems. Such a quantum control has transformed atoms into one of the preferred platforms to explore fundamental science, including applications in quantum information, quantum metrology or, more recently, the realization of synthetic materials where light can induce interactions that would be difficult to find intrinsically in real materials. In the first part of this Thesis, we show how single atoms coupled to a cavity field can offer unique opportunities as quantum optomechanical devices because of their small mass and strong interaction with light. In particular, we focus on the "single-photon strong coupling" regime, where motional displacements on the order of the zero-point uncertainty are sufficient to shift the cavity resonance frequency by more than its linewidth. By coupling atomic motion to the narrow cavity-dressed atomic resonance, we theoretically observe that the scattering properties of single photons can become highly entangled with the atomic wavefunction, even if the cavity linewidth is large. This leads to a per-photon motional heating that is significantly larger than the single-photon recoil energy, as well as mechanically-induced oscillations that could be observed in the correlations of state-of-the-art cavity systems. In the second part of the Thesis, we investigate how synthetic materials built using light can be harnessed as quantum simulators, defeating the limitations that classical computers face in the exploration of quantum phenomena. We particularly focus on ultracold atomic mixtures trapped in optical lattices, where atom-mediated long-range interactions can provide an enabling tool in the simulation of relevant problems in condensed matter or quantum chemistry. First, we show that fermionic atoms in an ultracold gas can act as a mediator, giving rise to effective long-range RKKY interactions among other neutral atoms trapped in an optical lattice. We further propose several experimental knobs to tune these interactions, which are characterized by the density and dimensionality of the gas and are accessible in current experimental platforms. We also show that these knobs open up the exploration of new frustrated regimes where symmetry-protected topological phases and chiral spin liquids emerge. Second, we introduce a set of experimental schemes where long-range interactions are mediated by an additional bosonic species trapped in a commensurate optical lattice, both in 2D and 3D. In particular, we show that the interplay with cavity QED can lead to effective Coulomb-like repulsion, which opens the door to the analog simulation of quantum chemistry problems using ultracold fermionic atoms as simulated electrons. Apart from explaining the emergent mechanism, we provide operational conditions for the simulator, benchmark it with simple atoms and molecules, and analyze how the continuous limit is approached for increasing optical lattice sizes. Finally, we compare our results with those of the continuum limit, where conventional quantum chemistry methods can be evaluated and tested. In summary, our results show connections between different areas of theoretical and experimental physics where light-matter interaction can play a dominant role, and suggest how this can be harnessed to further advance our understanding of stronglycorrelated quantum matter. La física óptica y atómica son dos campos de investigación conectados por un rango de energías común. El átomo representa el componente más fundamental de la materia, y su interacción con campos electromagnéticos es responsable de muchas de las propiedades utilizadas para caracterizar materiales, como por ejemplo la emisión y absorción de radiación por estos sistemas. Este control a nivel cuántico ha erigido los átomos como una de las plataformas preferidas para explorar ciencia fundamental, incluyendo aplicaciones en información cuántica, metrología o, más recientemente, la fabricación de materiales sintéticos en que la luz es capaz de inducir interacciones que serían difíciles de encontrar intrínsecamente en materiales convencionales. En la primera parte de esta Tesis mostramos cómo un átomo individual acoplado a una cavidad puede manifestar propiedades optomecánicas a nivel cuántico únicas, debido a su baja masa y fuerte interacción con la luz. En particular, nos centramos en el límite de acoplamiento fuerte al nivel de un único fotón, donde un desplazamiento en el orden de la incertidumbre del punto cero es suficiente para cambiar la frecuencia de resonancia de la cavidad más allá de su ancho de línea. Al acoplar este movimiento del átomo a su estrecha resonancia, observamos teóricamente que la dispersión de fotones individuales queda fuertemente entrelazada con la función de onda del átomo, incluso cuando la resonancia de la cavidad es ancha. Esto conlleva que cada fotón caliente el átomo significativamente más de lo que se esperaría de su energía de retroceso, y podría manifestarse en dispositivos actuales en forma de oscilaciones dictadas por el movimiento del átomo. En la segunda parte de la Tesis investigamos cómo algunos materiales sintéticos fabricados con luz pueden utilizarse como simuladores cuánticos, desafiando así las limitaciones que los ordenadores clásicos enfrentan actualmente a la hora de explorar fenómenos cuánticos. En particular, nos centramos en el estudio de mezclas de átomos ultrafríos atrapados en redes ópticas, donde interacciones de largo alcance mediadas por estos átomos pueden jugar un papel fundamental en la simulación de problemas relevantes en materia condensada o química cuántica. Primero, mostramos que átomos fermiónicos en un gas ultrafrío pueden actuar como mediadores, dando lugar a interacciones efectivas de largo alcance tipo RKKY entre átomos neutros atrapados. Asimismo, proponemos diferentes estrategias para modular estas interacciones a través de la densidad y dimensión del gas, lo que es experimentalmente accesible en plataformas actuales. Mostramos también que esta versatilidad permite la exploración de sistemas frustrados, donde aparecen fases topológicas protegidas por simetría y líquidos quirales de espín. En segundo lugar, introducimos un conjunto de esquemas experimentales donde las interacciones de largo alcance son mediadas por una especie bosónica adicional atrapada en una red óptica, tanto en 2D como en 3D. En particular, mostramos que la interacción adicional con una cavidad puede dar lugar a una repulsión efectiva del tipo Coulomb, lo que abre la puerta a simular de manera analógica problemas de química cuántica, tomando átomos fermiónicos ultrafríos como electrones simulados. Además de explicar estos mecanismos, derivamos las condiciones operacionales para el simulador, lo probamos para átomos y moléculas sencillas, y analizamos cómo se aproxima el límite en el continuo a medida que la red óptica aumenta. Finalmente, comparamos nuestros resultados con los esperados en el continuo, donde los métodos utilizados en química cuántica pueden ser evaluados y puestos a prueba. En resumen, nuestros resultados dibujan conexiones entre diferentes áreas de la física teórica y experimental donde la interacción entre la luz y la materia puede jugar un papel fundamental, y sugerimos cómo se puede aprovechar esto para avanzar aún más en nuestra comprensión de la materia cuántica fuertemente correlacionada.
Atomic and optical physics are two fields closely connected by a shared range of energy scales, and the interactions between them. Atoms represent the most fundamental components of matter, and interactions with electromagnetic fields are responsible for many properties used to characterize a material, like the emission and absorption of radiation by these systems. Over the last decades, this has allowed us to use light as a tool to access and manipulate the internal states of atomic systems. Such a quantum control has transformed atoms into one of the preferred platforms to explore fundamental science, including applications in quantum information, quantum metrology or, more recently, the realization of synthetic materials where light can induce interactions that would be difficult to find intrinsically in real materials. In the first part of this Thesis, we show how single atoms coupled to a cavity field can offer unique opportunities as quantum optomechanical devices because of their small mass and strong interaction with light. In particular, we focus on the "single-photon strong coupling" regime, where motional displacements on the order of the zero-point uncertainty are sufficient to shift the cavity resonance frequency by more than its linewidth. By coupling atomic motion to the narrow cavity-dressed atomic resonance, we theoretically observe that the scattering properties of single photons can become highly entangled with the atomic wavefunction, even if the cavity linewidth is large. This leads to a per-photon motional heating that is significantly larger than the single-photon recoil energy, as well as mechanically-induced oscillations that could be observed in the correlations of state-of-the-art cavity systems. In the second part of the Thesis, we investigate how synthetic materials built using light can be harnessed as quantum simulators, defeating the limitations that classical computers face in the exploration of quantum phenomena. We particularly focus on ultracold atomic mixtures trapped in optical lattices, where atom-mediated long-range interactions can provide an enabling tool in the simulation of relevant problems in condensed matter or quantum chemistry. First, we show that fermionic atoms in an ultracold gas can act as a mediator, giving rise to effective long-range RKKY interactions among other neutral atoms trapped in an optical lattice. We further propose several experimental knobs to tune these interactions, which are characterized by the density and dimensionality of the gas and are accessible in current experimental platforms. We also show that these knobs open up the exploration of new frustrated regimes where symmetry-protected topological phases and chiral spin liquids emerge. Second, we introduce a set of experimental schemes where long-range interactions are mediated by an additional bosonic species trapped in a commensurate optical lattice, both in 2D and 3D. In particular, we show that the interplay with cavity QED can lead to effective Coulomb-like repulsion, which opens the door to the analog simulation of quantum chemistry problems using ultracold fermionic atoms as simulated electrons. Apart from explaining the emergent mechanism, we provide operational conditions for the simulator, benchmark it with simple atoms and molecules, and analyze how the continuous limit is approached for increasing optical lattice sizes. Finally, we compare our results with those of the continuum limit, where conventional quantum chemistry methods can be evaluated and tested. In summary, our results show connections between different areas of theoretical and experimental physics where light-matter interaction can play a dominant role, and suggest how this can be harnessed to further advance our understanding of stronglycorrelated quantum matter. La física óptica y atómica son dos campos de investigación conectados por un rango de energías común. El átomo representa el componente más fundamental de la materia, y su interacción con campos electromagnéticos es responsable de muchas de las propiedades utilizadas para caracterizar materiales, como por ejemplo la emisión y absorción de radiación por estos sistemas. Este control a nivel cuántico ha erigido los átomos como una de las plataformas preferidas para explorar ciencia fundamental, incluyendo aplicaciones en información cuántica, metrología o, más recientemente, la fabricación de materiales sintéticos en que la luz es capaz de inducir interacciones que serían difíciles de encontrar intrínsecamente en materiales convencionales. En la primera parte de esta Tesis mostramos cómo un átomo individual acoplado a una cavidad puede manifestar propiedades optomecánicas a nivel cuántico únicas, debido a su baja masa y fuerte interacción con la luz. En particular, nos centramos en el límite de acoplamiento fuerte al nivel de un único fotón, donde un desplazamiento en el orden de la incertidumbre del punto cero es suficiente para cambiar la frecuencia de resonancia de la cavidad más allá de su ancho de línea. Al acoplar este movimiento del átomo a su estrecha resonancia, observamos teóricamente que la dispersión de fotones individuales queda fuertemente entrelazada con la función de onda del átomo, incluso cuando la resonancia de la cavidad es ancha. Esto conlleva que cada fotón caliente el átomo significativamente más de lo que se esperaría de su energía de retroceso, y podría manifestarse en dispositivos actuales en forma de oscilaciones dictadas por el movimiento del átomo. En la segunda parte de la Tesis investigamos cómo algunos materiales sintéticos fabricados con luz pueden utilizarse como simuladores cuánticos, desafiando así las limitaciones que los ordenadores clásicos enfrentan actualmente a la hora de explorar fenómenos cuánticos. En particular, nos centramos en el estudio de mezclas de átomos ultrafríos atrapados en redes ópticas, donde interacciones de largo alcance mediadas por estos átomos pueden jugar un papel fundamental en la simulación de problemas relevantes en materia condensada o química cuántica. Primero, mostramos que átomos fermiónicos en un gas ultrafrío pueden actuar como mediadores, dando lugar a interacciones efectivas de largo alcance tipo RKKY entre átomos neutros atrapados. Asimismo, proponemos diferentes estrategias para modular estas interacciones a través de la densidad y dimensión del gas, lo que es experimentalmente accesible en plataformas actuales. Mostramos también que esta versatilidad permite la exploración de sistemas frustrados, donde aparecen fases topológicas protegidas por simetría y líquidos quirales de espín. En segundo lugar, introducimos un conjunto de esquemas experimentales donde las interacciones de largo alcance son mediadas por una especie bosónica adicional atrapada en una red óptica, tanto en 2D como en 3D. En particular, mostramos que la interacción adicional con una cavidad puede dar lugar a una repulsión efectiva del tipo Coulomb, lo que abre la puerta a simular de manera analógica problemas de química cuántica, tomando átomos fermiónicos ultrafríos como electrones simulados. Además de explicar estos mecanismos, derivamos las condiciones operacionales para el simulador, lo probamos para átomos y moléculas sencillas, y analizamos cómo se aproxima el límite en el continuo a medida que la red óptica aumenta. Finalmente, comparamos nuestros resultados con los esperados en el continuo, donde los métodos utilizados en química cuántica pueden ser evaluados y puestos a prueba. En resumen, nuestros resultados dibujan conexiones entre diferentes áreas de la física teórica y experimental donde la interacción entre la luz y la materia puede jugar un papel fundamental, y sugerimos cómo se puede aprovechar esto para avanzar aún más en nuestra comprensión de la materia cuántica fuertemente correlacionada.
The outstanding progress achieved in the last decades to isolate and manipulate individual quantum systems has revolutionized the way in which quantum many-body phenomena, appearing across Nature's different energy scales, can be investigated. By employing atomic systems such as ultracold atoms in optical lattices, an enormous range of paradigmatic models from condensed-matter and high-energy physics are being currently studied using table-top experiments, turning Feynman's idea of a quantum simulator into a reality.Quantum simulators offer the possibility to gather information about complex quantum systems, which are either not accessible to experiments or whose properties can not be easily derived using standard analytical or numerical approaches. These synthetic quantum systems can be designed precisely such that they are described under the same models as natural systems, and their remarkable control allows to probe the relevant phenomena associated to them. Apart from their quantum simulation capabilities, atomic systems can also be employed to generate quantum matter with novel properties beyond those found in Nature, offering interesting prospects for quantum technological applications. In this thesis, we investigate the possibilities that cold-atom systems present to address, in particular, quantum matter with non-trivial topological properties. Using mixtures of ultracold atoms, we analyze various quantum simulation strategies to access several many-body phenomena for which a satisfactory understanding is still lacking. Moreover, we show how such platforms display strongly-correlated topological effects beyond those found in natural systems. We first focus on models inspired by condensed-matter physics. More precisely, we propose how lattices dynamics, similar to those described by phonons in solid crystals, can be implemented in an otherwise static optical lattice. By coupling the former to quantum matter using a mixture of bosonic atoms, we reproduce typical effects described by electronic systems, such as topological defects or charge fractionalization. We then extend these results and find novel features, from boson fractionalization to intertwined topological phases.We then consider the quantum simulation of high-energy-physics problems. By using Bose-Fermi mixtures, we show how non-perturbative phenomena characteristic of non-abelian gauge theories, such as quark confinement, emerge in simpler models that are within the reach of current technology. Finally, we investigate how the interplay between gauge invariance and strong correlations gives rise to various mechanisms to prepare robust topological order in near-term quantum simulators.In summary, our results show several connections between different areas of theoretical and experimental physics, and indicate how these can be harnessed further to advance our understanding of strongly-correlated quantum matter, as well as to utilize the latter for new technological applications. El enorme progreso llevado a cabo en las últimas decadas para aislar y manipular sistemas cuánticos individuales ha revolucionado la manera de investigar fenómenos cuánticos de muchos cuerpos, los cuales se presentan a diferentes escalas energéticas en la naturaleza. Actualmente, una gran variedad de modelos paradigmáticos en física de la materia condensada y de altas energías se estudian experimentalmente utilizando sistemas atómicos tales como átomos ultrafríos en retículos ópticos, llevando a la realidad la idea de simulador cuántico de Feynman. Los simuladores cuánticos ofrecen la posibilidad de obtener información sobre otros sistemas cuánticos más complejos que, o bien no son accesibles experimentalmente, o cuyas propiedades no se pueden predecir fácilmente utilizando técnicas analíticas o numéricas usuales. Estos sistemas cuánticos sintéticos se pueden diseñar de tal manera que se encuentren descritos precisamente por los mismos modelos que los anteriores y, gracias a su notable control, permiten investigar los fenómenos más relevantes asociados a ellos. Aparte de su uso como simuladores cuánticos, estos sistemas atómicos se pueden utilizar para crear nuevos tipos de materia cuántica cuyas propiedades pueden ser diferentes de aquellas encontradas en la naturaleza, ofreciendo así aplicaciones interesantes en tecnología cuántica. En esta tesis investigamos las posibilidades que los sistemas de átomos fríos ofrecen para obtener materia cuántica con propiedades topológicas no triviales. Analizamos, en particular, diferentes estrategias de simulación cuántica para acceder a varios fenómenos de muchos cuerpos que aún no se entienden de forma satisfactoria, utilizando para ello mezclas de átomos ultrafríos. Mostramos además como estas plataformas pueden dar lugar a efectos topológicos fuertemente correlacionados que van más allá de los encontrados hasta ahora en sistemas naturales. Primero nos enfocamos en modelos inspirados por sistemas de materia condensada. En particular, proponemos como implementar retículos dinámicos, los cuales suelen ser estáticos en sitemas ópticos, de manera que podamos simular las partículas fonónicas que aparecen en sólidos cristalinos. Acoplamos estos últimos a materia cuántica utilizando una mezcla de átomos bosónicos, lo cual nos permite reproducir algunos de los efectos típicos que aparecen en sitemas electrónicos, tales como defectos topológicos o fraccionalización de la carga. Por último, extendemos estos resultados encontrando rasgos nuevos, desde la fraccionalización de bosones hasta fases topológicas entrelazadas. Consideramos además simulaciones cuánticas para problemas en física de altas energías. Utilizando mezclas de átomos bosónicos y fermiónicos, mostramos como algunos fenómenos no perturbativos característicos de teorías gauge no abelianas, tales como el confinamiento de quarks, pueden aparecer en modelos más sencillos, los cuales están al alcance de la tecnología actual. Finalmente, investigamos como la interacción entre simetría gauge y correlaciones fuertes puede dar lugar a nuevos mecanismos para genera orden topológico más robusto en simuladores cuánticos a corto plazo. En resumen, nuestros resultados muestras varias conexiones entre diferentes areas de la física teórica y experimental, e indican como estas pueden ser exploradas para avanzar en el conocmiento de la materia cuántica fuertemente correlacionada, así como en las posibles aplicaciones tecnológicas de esta última.
(English) The interface between light and cold atomic ensembles is a fundamental platform to unravel the quantum world and develop quantum technological applications. Its success relies on the simple idea that the efficiency of such an interface can be collectively enhanced by the use of many atoms. While the interaction between its building blocks, a single photon, and a single atom, is theoretically and experimentally understood, instead, the interaction between light and a macroscopic ensemble of motionless atoms is generically a complex system featuring multiple scattering and many-body dipole interactions. To avoid the complexity, typical theories of atom-light interactions treat the atomic medium as smooth. However, it is well-known that microscopic optical effects driven by atomic granularity can lead to important effects, especially in dense media. These phenomena and their consequences on the performance of applications are not completely understood. To take them into account exactly, Chapter 1 introduces a ``spin model'' for light-matter interaction. The rest of the thesis is then divided into three chapters, which push forward our understanding of the interaction of light with dense atomic media. In Chapter 2 it is argued that because of the overwhelming collective macroscopic response an ensemble can exhibit (well captured by the standard theory), many microscopically-driven effects that have been predicted, have also been challenging to observe so far. An essential step is thus to suppress the macroscopic light propagation, so as to allow the microscopic correlations to build up and to be analyzed in a background-free fashion. To solve this issue, a technique to suppress the macroscopic optical dynamics in free space, which allows to precisely investigate many-body aspects of light-matter interaction, will be presented and demonstrated. In particular, we unravel and precisely characterize a microscopic, density-dependent dipolar dephasing effect that generally limits the lifetime of the optical spin-wave order in ensemble-based atom-light interfaces. In Chapter 3 we will go beyond the short-time and dilute limits considered previously, to develop a comprehensive theory of dephasing dynamics for arbitrary times and atomic densities. In particular, our non-perturbative approach is based on the strong-disorder renormalization group (RG), in order to quantitatively predict the dominant role that near-field optical interactions between nearby neighbors have in driving the dephasing process. This theory also enables one to capture the key features of the many-atom dephasing dynamics in terms of an effective single-atom model. These results should shed light on the limits imposed by near-field interactions on quantum optical phenomena in dense atomic media, and illustrate the promise of strong disorder RG as a method of dealing with complex microscopic optical phenomena in such systems. Chapter 4 tries to answer the question of why ordinary materials exhibit a refractive index of order unity and if the answer can come from an electro-dynamical argument. While textbook theories predict nonphysical values when extrapolated to densities of solids, here, we will evaluate the exact linear optical response of a three-dimensional lattice of two-level atoms, first from the band structure and then from a direct numerical simulation. Interestingly, when multiple scattering of light is exactly taken into account, as a result of perfect interference, it is found that an ideal unity-filled array of atoms can have a refractive index that grows with the density and is furthermore real. This implies that a saturation mechanism for the index should come from the quantum chemistry interactions that arise in real materials. Whether saturation could be circumvented, could lead to novel optical materials with transformative technological potential. (Español) La interfaz entre la luz y conjuntos de átomos fríos es una plataforma fundamental para explorar el mundo cuántico y para el desarrollo de las tecnologías cuánticas. Sus logros están basados en la sencilla idea de que la eficiencia de esta interfaz puede mejorar al utilizar muchos átomos. A pesar de que la interfaz entre sus constituyentes, un único átomo y un único fotón, está experimentalmente y teóricamente entendida, en cambio, la interacción entre la luz y un conjunto macroscópico de átomos inmóviles es un sistema complejo que incluye dispersiones múltiples e interacciones dipolo-dipolo entre muchos cuerpos. Para reducir esta complejidad, las teorías tradicionales tratan el medio atómico como continuo. Sin embargo, es conocido que los efectos ópticos microscópicos, causados por la granularidad de los átomos, pueden dar lugar a consecuencias importantes, sobre todo en el caso de medios densos. Estos fenómenos y sus consecuencias en la eficiencia de las aplicaciones siguen sin entenderse por completo. Para tenerlos en cuenta exactamente, el Capítulo 1 introduce un "modelo de espines" para la interaccíón luz-materia. El resto de la tesis se divide luego en tres capítulos, que impulsan nuestra comprensión de la interacción de la luz con medios atómicos densos. En el Capítulo 2 se argumenta que debido a la enorme respuesta macroscópica colectiva de un conjunto (captada correctamente por la teoría estándar), muchos de los efectos microscópicos que se han predicho también han sido difíciles de observar hasta ahora. El reto, por lo tanto, es suprimir la propagación de la luz macroscópica, para permitir que las correlaciones microscópicas se acumulen y se analicen sin ese fondo. Para resolver este problema, se presentará y demostrará una técnica para suprimir la dinámica óptica macroscópica en el espacio libre, que permite investigar con precisión los aspectos de muchos cuerpos de la interacción luz-materia. En particular, caracterizamos con precisión un efecto de desfase dipolar microscópico, que depende de la densidad, y limita la vida útil del orden de onda de espín óptico en las interfaces átomo-luz basadas en conjuntos. En el Capítulo 3 iremos más allá de los límites diluidos y de tiempo corto considerados anteriormente, para desarrollar una teoría completa de la dinámica de desfase para tiempos y densidades atómicas arbitrarias. En particular, nuestro método no-perturbativo se basa en el grupo de renormalización (RG) del desorden fuerte, para predecir cuantitativamente el papel dominante que tienen las interacciones ópticas de campo cercano entre átomos vecinos en el proceso de desfase. Estos resultados deberían aclarar los límites impuestos por las interacciones de campo cercano en los fenómenos ópticos cuánticos en medios atómicos densos e ilustrar la promesa del RG como método para tratar los fenómenos ópticos microscópicos complejos en estos sistemas. El Capítulo 4 trata de responder a la pregunta de por qué los materiales ordinarios exhiben un índice de refracción de orden uno y si la respuesta puede proceder de un argumento electrodinámico. Si bien las teorías de los libros de texto predicen valores no físicos cuando se extrapolan a densidades de sólidos, aquí evaluaremos la respuesta óptica lineal exacta de una red tridimensional de átomos de dos niveles, primero a partir de la estructura de bandas y luego a partir de una simulación numérica directa. Curiosamente, cuando se tiene en cuenta de manera exacta la dispersión múltiple de la luz, como resultado de la interferencia perfecta, se encuentra que una matriz de átomos ideal tiene un índice de refracción que crece con la densidad y, además, es real. Esto implica que un mecanismo de saturación para el índice debería provenir de las interacciones de la química cuántica que surgen en los materiales reales. La posibilidad de evitar la saturación podría dar lugar a nuevos materiales ópticos con un potencial tecnológico transformador.
Photons travelling through free space do not interact with each other. This characteristic makes them perfect candidates to carry quantum information over long distances. On the other hand, processing the information they encode requires interaction mechanisms. In recent years, there have been growing efforts to realize strong, controlled interactions between photons by making them interact with individual atoms, which are intrinsically nonlinear objects. This, and the efforts to understand the phenomena that can emerge, have spawned the new field of`"quantum nonlinear optics." A number of approaches have been pursued to attain near-deterministic atom-photon interactions, including the use of cavities (CQED), of atomic ensembles, and more recently of dielectric nanostructures able to confine light without defocusing, thus enabling the interaction with atoms trapped in the proximity of the structures. While for the CQED case powerful theoretical tools have been developed to treat the interactions of photons, in the case of atomic ensembles, either in free space or coupled to nanophotonic structures, there is a general lack of theoretical methods beyond the linear regime. This relative lack of understanding also implies that there could be rich new physical phenomena that have thus far not been identified. The overall goal of this thesis is to explore these themes in greater detail. In Chapter 2 of this thesis we develop a new formalism to calculate the properties of quantum light when interfaced with atomic ensembles. The method consists of using a "spin model" that maps a quasi one-dimensional (1D) light propagation problem to the dynamics of an open 1D interacting spin system, where all of the photon correlations are obtained from those of the spins. The spin dynamics can be numerically solved using the toolbox of matrix product states (MPS), thus providing a technique to study strongly interacting photons in the true many-body limit. In Chapter 3 we investigate the possibility of creating exotic phases of matter using the recently realized photonic crystal waveguide (PCW)-atoms interface. In particular, we examine the consequences that arise from the strong interatomic forces mediated by the exchange of band gap photons, whose strengths also depend strongly on the internal atomic states (¿spins¿). Taking one realistic model, we show that "quantum crystallization" can occur, in which the emergent spatial orders of atoms depend intricately on the spin correlations. In Chapter 4 we investigate the possibility of implementing second-order nonlinear quantum optical processes with graphene nanostructures, as a more robust alternative to the use of atomic systems. We quantify the second-order nonlinear properties, showing that the tight confinement of surface plasmons (SP) in graphene gives rise to extraordinary interaction strengths at the single-photon level. Finally, we predict that opportunely engineered arrays of graphene nanostructures can provide a second harmonic generation efficiency comparable with that of state-of-the-art nonlinear crystals, with the high Ohmic losses of graphene serving as the fundamental limitation for deterministic processes. In Chapter 5 we investigate a new paradigm for quantum memories of light based upon ordered atomic arrays. In particular, we show that the strong constructive interference in optical emission can give rise to a significantly enhanced atom-light interface, as compared to a standard, disordered atomic ensemble. In the case of a single, 2D atomic layer, we find the impressive result that a memory realized with 16 atoms can have the same storage efficiency as an atomic ensemble with optical depth larger than 100. Los fotones que viajan por el espacio libre no interactúan entre sí. Esta característica los hace perfectos candidatos para transportar la información cuántica a largas distancias. Por otro lado, el procesamiento de la información que codifican requiere mecanismos de interacción. En los últimos años se han realizado esfuerzos crecientes para realizar interacciones fuertes y controladas entre los fotones y para comprender las leyes subyacentes que describen los fenómenos que pueden surgir, generando así el nuevo campo de la "óptica cuántica no lineal". Mientras que los materiales tridimensionales tienen coeficientes no lineales extremadamente débiles, se pueden obtener interacciones entre los fotones haciéndolos interactuar con átomos individuales, que son objetos intrínsecamente no lineales, teniendo la capacidad de absorber únicamente un solo fotón a la vez. La realización de interacciones determinísticas entre fotones y átomos es uno de los principales retos de la óptica cuántica no lineal. Para eludir las limitaciones debidas a la pequeña sección eficaz óptica de los átomos y el límite de difracción en el espacio libre, se han aplicado diferentes estrategias, entre ellas el uso de cavidades (CQED), de colectividades atómicas y, más recientemente, de nanoestructuras dieléctricas capaces de confinar la luz sin desenfocarse, permitiendo así la interacción con átomos atrapados en la proximidad de esas estructuras. Mientras que para el caso de la CQED se han desarrollado potentes herramientas teóricas para tratar las interacciones de los fotones, en el caso de colectividades atómicas hay una falta general de métodos teóricos más allá del régimen lineal. Esta relativa falta de comprensión también implica que podría haber nuevos fenómenos físicos interesantes que hasta ahora no se han identificado. El objetivo general de esta tesis es explorar estos temas con mayor detalle. En el capítulo 2 de esta tesis desarrollamos un nuevo formalismo para calcular las propiedades de la luz cuántica cuando interactúa con sistemas atómicos. El método consiste en utilizar un"`modelo de espines" que mapea un problema de propagación de luz cuasi unidimensional (1D) a la dinámica de un sistema abierto unidimensional de espines que interactúan entre sí, donde todas las correlaciones de fotones se obtienen a partir de las de los espines. La dinámica de los espines se puede resolver numéricamente utilizando la caja de herramientas de los estados producto de matrices (MPS), proporcionando así una técnica para estudiar los fotones que interactúan fuertemente en el regimen de la física de muchos cuerpos. En el capítulo 3 se investiga la posibilidad de crear fases exóticas de la materia utilizando la interfaz entre guía de ondas de cristales fotónicos (PCW) y átomos recientemente realizada experimentalmente, donde los modos de la banda de frecuencias prohibidas de la PCW se utilizan para mediar las interacciones de largo alcance entre los átomos. Encontramos un rico diagrama de fases de órdenes emergentes. En el capítulo 4 se investiga la posibilidad de implementar procesos ópticos cuánticos no lineales de segundo orden con nano-estructuras de grafeno, como una alternativa más robusta al uso de sistemas atómicos. Cuantificamos las propiedades no lineales de segundo orden, mostrando que el estrecho confinamiento da lugar a extraordinarias fuerzas de interacción a nivel de un solo fotón y predecimos que un diseño apropiado de las nano-estructuras del grafeno permitiría generar el segundo armónico con una eficiencia comparable a la de los cristales no lineales de última generación. En el capítulo 5, investigamos cómo la emisión cooperativa en memorias cuánticas realizadas con reticulos atómicos afecta su eficiencia, encontrando el impresionante resultado de que una memoria realizada con 16 átomos puede tener la misma eficiencia que un gas cuántico atómico de profundidad óptica mayor que 100.
Quantum trapping potentials for ultracold gases change the landscape of classical properties of scattered light and matter. The atoms in a quantum many-body correlated phase of matter change the properties of light and vice versa. The properties of both light and matter can be tuned by design and depend on the interplay between long-range (nonlocal) interactions mediated by an optical cavity and short-range processes of the atoms. Moreover, the quantum properties of light get significantly altered by this interplay, leading the light to have nonclassical features. Further, these nonclassical features can be designed and optimised. Introduction and background. Under some of the most extreme experimental conditions of temperature and vacuum, atoms can be controlled by lasers in optical lattices. Beyond controlling the spatial distribution of atoms by light, one can selectively pump at a particular wavelength optimising the interaction with light by several orders of magnitude with additional mirrors. As this occurs, the light in the cavity mediates a true quantum potential that couples all the atoms along the optical lattice, leading to the formation of a quantum optical lattice. The structural arrangement of the atoms can be modified by the light, as photons interact with atoms and vice versa. Main results. In this paper, we concentrate on understanding and showing how the light scattered by the atoms acquires features that are inherently quantum mechanical and originated due to the atomic condensation into a many-body state. The atoms have strong correlations among them as they locally interact and move in the optical lattice in addition to the cavity mediated long-range interaction. We show how one can design and optimise the quantum properties of the scattered light by the atoms, and how it contains information regarding the correlated phases of matter that emerge. Wider Implications. Our results will allow to consider the design of quantum properties of light and the interplay between different energy scales in the system towards the implementation of new quantum simulators, the possibility to optimise these properties for technological applications and ultimately innovate towards possible implementations of quantum system engineering of states.
Uno de los retos actuales en el campo de la información es la construcción de un ordenador cuántico. En un ordenador cuántico se sustituye la unidad de información de los ordenadores clásicos, el bit, por un bit cuántico o qubit. El principio de superposición, inherente a la física cuántica, permite entonces manejar estados "superposición". Esta posibilidad abre una puerta a la implementación de nuevos algoritmos y podría permitir simulaciones y cálculos impracticables con tecnologías clásicas. Los tres obstáculos principales a la hora de construir un ordenador cuántico son: - Encontrar sistemas físicos que tengan las propiedades adecuadas para ser qubits. Se buscan principalmente que sean equivalentes a un sistema cuántico de dos niveles en el régimen de trabajo. Existen sistemas que, de forma natural, ya presentan esta característica, por ejemplo espines nucleares, atómicos o moleculares o dipolos eléctricos. Por otro lado, también existen sistemas sintéticos que pueden fabricarse con las características deseadas. Estos últimos son determinados circuitos cuánticos como los qubits de carga o qubits de flujo (superconductores). - Encontrar sistemas para inicializar, leer, escribir y manipular los qubits así como para acoplarlos entre sí generando entrelazamiento cuántico y creando puertas lógicas cuánticas. Los qubits no solo tienen que almacenar información, sino que además deben poder ser manipulados de forma efectiva. Asimismo, la información ha de ser transferida de un lugar del sistema a otro (bus cuántico). La forma más natural de manipular los distintos qubits es mediante su acoplo a radiación electromagnética. Los fotones son de forma natural objetos cuánticos y ofrecen un muy efectivo medio para la transferencia de información cuántica. - Mantener la coherencia cuántica de los qubits. Los sistemas y efectos cuánticos son típicamente muy sensibles a perturbaciones externas y cualquier interacción con el entorno puede destruir su coherencia. La necesidad de aislarlos adecuadamente del entorno compite directamente con la facilidad de manipularlos y ponerlos en interacción mutua. En este contexto, tiene especial importancia el estudio de la interacción de fotones individuales con sistemas cuánticos candidatos a ser qubits. El ejemplo arquetípico para el estudio de esta interacción son los sistemas de electrodinámica cuántica de cavidades (Cavity Quantum Electrodynamics o CQED en inglés). Éstos consisten en un sistema cuántico de dos niveles acoplado a único modo de la radiación electromagnética, por ejemplo, a fotones almacenados en una cavidad. La intensidad del acoplo fotón-qubit ha de superar las frecuencias de coherencia de ambos subsistemas. Este régimen de acoplo fuerte permite que, durante el tiempo de vida del sistema, se pueda realizar un numero suficientemente elevado de operaciones. Con el objeto de aumentar el acoplo entre los fotones de una cavidad y un qubit, se han investigado distintos tipos de cavidades y qubits que permiten alcanzar el régimen de acoplo fuerte. Uno de los más interesantes es lo que ahora se conoce como electrodinámica cuántica de circuitos (Circuit QED), que consiste en usar tecnologías de circuitos integrados y superconductores para fabricar cavidades y qubits adaptados para aplicaciones en el procesado cuántico de información. Uno de los sistemas más utilizados en Circuit QED es el qubit de carga (Cooper pair box) acoplado a través de la componente eléctrica del campo a un resonador coplanar superconductor (superconducting coplanar waveguide resonator). La geometría de una guía de ondas coplanar permite aumentar la densidad de energía electromagnética (y por consiguiente el acoplo) con respecto a una cavidad tridimensional estándar. Este sistema presenta acoplo fuerte y permite la realización de operaciones sobre el qubit e incluso entrelazar múltiples qubits acoplados a la misma cavidad. Sistemas candidatos a qubits que se acoplan al campo magnético, como por ejemplo sistemas de espines de estado sólido, también son interesantes por sus posibles aplicaciones para el almacenamiento de información cuántica y para proporcionar una interconexión entre fotones de radio-frecuencias con fotones ópticos. Experimentos realizados en los últimos años demuestran la posibilidad de acoplar coherentemente centros NV y P1 de diamante con circuitos cuánticos como resonadores superconductores o qubits de flujo. Estos defectos en diamante actúan como sistemas de espín 1 y se acoplan colectivamente al circuito proporcionando un aumento en el acoplo proporcional a la raíz cuadrada de número de espines. El acoplo fuerte se consigue gracias a este factor junto con la alta coherencia de los centros magnéticos (tiempos de coherencia de 1-2 ms a temperatura ambiente). También se ha demostrado acoplo fuerte magnético, incluso a temperatura ambiente, entre radicales paramagnéticos de spin 1/2 y cavidades de microondas tridimensionales. El uso qubits de espín abre también la posibilidad a otros sistemas algo más complejos. Los "single molecule magnets" (moléculas imán ó SMMs) son moléculas organometálicas formadas por un núcleo de alto espín rodeado de ligandos orgánicos que, de forma natural, se organizan en cristales moleculares. El alto valor de su espín puede permitir que el régimen de acoplo fuerte sea más fácil de alcanzar y podría llevar a su aplicación como memorias cuánticas. Los SMMs son también interesantes por que permiten manipular químicamente sus propiedades para distintas aplicaciones. Si nos restringimos solo al campo de la información cuántica, estos sistemas pueden actuar no sólo como qubits individuales sino que se pueden diseñar para que una única molécula contenga múltiples qubits débil o fuertemente entrelazados, para actuar como puertas lógicas o como simuladores cuánticos. Muchas de las aplicaciones de SMMs más sofisticados requieren acoplar moléculas individuales al campo magnético de un resonador, un reto aún más complicado que el acoplo a cristales macroscópicos. Si este límite fuera alcanzable, se podrían utilizar circuitos supercondutores para manipular y transferir coherentemente información entre qubits de espín, proporcionando una arquitectura adecuada para implementar un procesador cuántico de espines. Si nos inspiramos en los sistemas de Circuit QED, podemos imaginar construir un sistema similar donde se colocarían moléculas individuales en las posiciones de la cavidad donde haya máximo campo magnético para el modo deseado de las microondas. Los espines podrían entonces sintonizarse individualmente utilizando campos magnéticos locales para ponerlos en resonancia con la cavidad e intercambiarían información. El principal objetivo en esta tesis, es comprobar la viabilidad de propuestas como esta y dar los primeros pasos hacia su realización. Los acoplos alcanzables en la actualidad para espines individuales son todavía demasiado bajos como para superar sus los límites impuestos por sus tiempos de coherencia. Esto nos deja con dos alternativas para mejorar el acoplo: - Encontrar sistemas de espín con mejores propiedades (tanto acoplo más fuerte como mejor coherencia) - Modificar las cavidades para aumentar el campo magnético y, por tanto, el acoplo. Teniendo esto en cuenta, los objetivos concretos de la tesis son: - Establecer que características deben tener los sistemas de espín para acoplarse fuertemente con un circuito cuántico - Estudiar las propiedades de diferentes familias de SMMs y ver si cumplen con las condiciones requeridas para el acoplo fuerte, tanto en forma de cristales moleculares como de moléculas individuales. - Diseñar nuevos resonadores de Circuit QED para concentrar el campo de microondas en regiones, optimizando así la interacción con pequeños grupos de espines o moléculas magnéticas. Explorar también si estas modificaciones cambian de forma sustancial las propiedades básicas del resonador.
This research program investigated the dynamics of open quantum systems in manifestly quantum or nonclassical domains. The research program exploited recently discovered possibilities in the microscopic realm of quantum mechanics to accomplish tasks that would otherwise be impossible by traditional classical means, including new capabilities for precision measurement and for the processing and distribution of information. Within this setting, the particular investigations related to strong coupling in optical physics whereby nonlinear interactions require only single atoms and photons. The research achieved capabilities beyond traditional nonlinear optics and laser physics and moved into a new regime with dynamical processes involving atoms and photons taken one by one. The research program addressed fundamental issues related to quantum metrology, to quantum communications, and to the general development of quantum information sciences. The most important accomplishments of this work have been the following: (1) The first demonstration of a laser that operates with a single atom; (2) The first realization of a deterministic source for single photons that generates single photons "on demand" from one atom trapped in a cavity; (3) The development of a protocol for the real-time determination of the number of trapped atoms inside an optical cavity in a regime of strong coupling, with N = 0,1,2,3...atoms; and (4) The first experiment to achieve manifestly quantum or nonclassical photon correlations suitable for the implementation of scalable quantum communications networks.