To measure quantum features in a classical world constrains us to extend the classical technology to the limit, inventing and discovering new schemes to use the classical devices, while reducing and filtering the sources of noise. Balanced detectors, e.g. when measuring a low- noise laser, have become an exceptional tool to attain the shot-noise level, i.e., the standard quantum limit for measuring light. To detect light pulses at this level requires to decreasing and also to filtering all other sources of noise, namely electronic and technical noise. The aim of this work is to provide a new tool for filtering technical and electronic noises present in the pulses of light. It is especially relevant for signal processing methods in quantum optics experiments, as a means to achieve shot-noise level and reduce strong technical noise by means of a pattern function. We thus present the theoretical model for the pattern-function filtering, starting with a theoretical model of a balanced detector. Next, we indicate how to recover the signal from the output of the balanced detector and a noise model is proposed for the sources of noise and the conditions that should satisfy the filtering algorithm. Finally, the problem is solved and the pattern function is obtained, the one which solves the problem of filtering technical and electronic noises. Once the pattern function is obtained, we design an experimental setup to test and demonstrate this model-based technique. To accomplish this, we produce pulses of light using acousto-optics modulators, such light pulses are precisely characterized together with the detection system. The data are then analyzed using an oscilloscope which gathers all data in the time domain. The frequency-domain representation is calculated using mathematical functions. In this way, it is proved that our detector is shot-noise limited for continuous-wave light. Next, it is shown how the technical noise is produced in a controlled manner, and how to gather the necessary information for calculating the pattern function. Finally, the shot-noise-limited detection with pulses without technical noise introduced is shown first, and next, an experimental demonstration where 10 dB of technical noise is then filtered using the pattern function. The final part of this research is focused on the optimal signal recovery for pulsed polarimetry. We recall the Stokes parameters and how to estimate the polarization state from a signal. Next, we introduce a widely used signal processing technique, the Wiener filter. For the final step, we show how to retrieve, under the best conditions, the polarization-rotation angle with a signal that has 10 dB of technical noise. Obtaining that our technique outperforms the Wiener estimator and at the same time obtaining the standard quantum limit for phase/angle estimation. Because of the correlation between pulsed polarimetry and magnetic estimation using magnetic-atomic ensembles via Faraday effect, this pattern-function filtering technique can be readily used for probing magnetic-atomic ensembles in environments with strong technical noise. Medir las características cuánticas en un mundo clásico no solo requiere llevar al límite la tecnología clásica, sino también, inventar y descubrir nuevos esquemas para utilizar los dispositivos clásicos, reduciendo y filtrando las fuentes de ruido. Los detectores balanceados, cuando miden un láser de bajo ruido, se han convertido en una herramienta excepcional para alcanzar el nivel del ruido de disparo, que es el límite estándar clásico para medir la luz. Detectar pulsos de luz al nivel de ruido de disparo requiere reducir y filtrar todas las otras fuentes de ruido, es decir, el ruido electrónico y el técnico. El objetivo de este trabajo es crear una nueva herramienta para filtrar ruido tanto técnico como electrónico de pulsos de luz, que es especialmente relevante para los métodos de procesamiento de señales en los experimentos de óptica cuántica, como una manera de alcanzar el nivel de ruido de disparo y reducir fuertemente el ruido técnico por medio una función patrón. Presentamos, por lo tanto, el modelo teórico para el filtrado por una función patrón. Primeramente damos el modelo teórico de un detector balanceado, luego exponemos cómo se recupera la señal de la salida del detector balanceado. A continuación proponemos un modelo para las fuentes de ruido y las condiciones que debe satisfacer el algoritmo de filtrado. Finalmente, se resuelve el problema y se obtiene la función patrón que nos permite filtrar los ruidos técnico y electrónico. Una vez que la función patrón se puede calcular, diseñamos un montaje experimental para probar y demostrar esta técnica basada en un modelo. Para tal propósito, producimos pulsos de luz usando moduladores acusto-ópticos que producen pulsos de luz que están precisamente caracterizados, junto con el sistema de detección. Los datos se analizan a continuación con un osciloscopio, reuniendo todos los datos en el dominio del tiempo. La representación del dominio de la frecuencia se calcula utilizando funciones matemáticas. De esta manera, se prueba que nuestro detector está limitado por el ruido de disparo para luz continua. Después, se muestra cómo se produce el ruido técnico de manera controlada, y cómo se reúne la información necesaria para calcular la función patrón. Finalmente, se muestra la detección limitada por el ruido de disparo para pulsos sin ruido técnico introducido primero, y luego, se hace una demostración experimental con 10 dB de ruido técnico, que se filtra a continuación usando la función patrón. La parte final de esta investigación está enfocada a la recuperación óptima de la señal para polarimetría pulsada. Recordamos los parámetros de Stokes y cómo estimar el estado de polarización de una señal. Luego, introducimos el filtro de Wiener, que es una técnica ampliamente usada en el procesamiento de señales. Para el paso final, mostramos cómo se recupera, bajo las mejores condiciones, el ángulo de rotación de polarización con una señal que tiene 10 dB de ruido técnico. Obteniendo el límite estándar cuántico para la estimación fase/ángulo y superando así el estimador de Wiener. Debido a la correlación entre polarimetría pulsada y la estimación magnética usando conjuntos atómicos magnéticos vía el efecto de Faraday, esta técnica de filtraje de función patrón puede ser fácilmente usada para sondear conjuntos atómico-magnéticos en ambientes con fuerte ruido técnico.
To measure quantum features in a classical world constrains us to extend the classical technology to the limit, inventing and discovering new schemes to use the classical devices, while reducing and filtering the sources of noise. Balanced detectors, e.g. when measuring a low- noise laser, have become an exceptional tool to attain the shot-noise level, i.e., the standard quantum limit for measuring light. To detect light pulses at this level requires to decreasing and also to filtering all other sources of noise, namely electronic and technical noise. The aim of this work is to provide a new tool for filtering technical and electronic noises present in the pulses of light. It is especially relevant for signal processing methods in quantum optics experiments, as a means to achieve shot-noise level and reduce strong technical noise by means of a pattern function. We thus present the theoretical model for the pattern-function filtering, starting with a theoretical model of a balanced detector. Next, we indicate how to recover the signal from the output of the balanced detector and a noise model is proposed for the sources of noise and the conditions that should satisfy the filtering algorithm. Finally, the problem is solved and the pattern function is obtained, the one which solves the problem of filtering technical and electronic noises. Once the pattern function is obtained, we design an experimental setup to test and demonstrate this model-based technique. To accomplish this, we produce pulses of light using acousto-optics modulators, such light pulses are precisely characterized together with the detection system. The data are then analyzed using an oscilloscope which gathers all data in the time domain. The frequency-domain representation is calculated using mathematical functions. In this way, it is proved that our detector is shot-noise limited for continuous-wave light. Next, it is shown how the technical noise is produced in a controlled manner, and how to gather the necessary information for calculating the pattern function. Finally, the shot-noise-limited detection with pulses without technical noise introduced is shown first, and next, an experimental demonstration where 10 dB of technical noise is then filtered using the pattern function. The final part of this research is focused on the optimal signal recovery for pulsed polarimetry. We recall the Stokes parameters and how to estimate the polarization state from a signal. Next, we introduce a widely used signal processing technique, the Wiener filter. For the final step, we show how to retrieve, under the best conditions, the polarization-rotation angle with a signal that has 10 dB of technical noise. Obtaining that our technique outperforms the Wiener estimator and at the same time obtaining the standard quantum limit for phase/angle estimation. Because of the correlation between pulsed polarimetry and magnetic estimation using magnetic-atomic ensembles via Faraday effect, this pattern-function filtering technique can be readily used for probing magnetic-atomic ensembles in environments with strong technical noise. Medir las características cuánticas en un mundo clásico no solo requiere llevar al límite la tecnología clásica, sino también, inventar y descubrir nuevos esquemas para utilizar los dispositivos clásicos, reduciendo y filtrando las fuentes de ruido. Los detectores balanceados, cuando miden un láser de bajo ruido, se han convertido en una herramienta excepcional para alcanzar el nivel del ruido de disparo, que es el límite estándar clásico para medir la luz. Detectar pulsos de luz al nivel de ruido de disparo requiere reducir y filtrar todas las otras fuentes de ruido, es decir, el ruido electrónico y el técnico. El objetivo de este trabajo es crear una nueva herramienta para filtrar ruido tanto técnico como electrónico de pulsos de luz, que es especialmente relevante para los métodos de procesamiento de señales en los experimentos de óptica cuántica, como una manera de alcanzar el nivel de ruido de disparo y reducir fuertemente el ruido técnico por medio una función patrón. Presentamos, por lo tanto, el modelo teórico para el filtrado por una función patrón. Primeramente damos el modelo teórico de un detector balanceado, luego exponemos cómo se recupera la señal de la salida del detector balanceado. A continuación proponemos un modelo para las fuentes de ruido y las condiciones que debe satisfacer el algoritmo de filtrado. Finalmente, se resuelve el problema y se obtiene la función patrón que nos permite filtrar los ruidos técnico y electrónico. Una vez que la función patrón se puede calcular, diseñamos un montaje experimental para probar y demostrar esta técnica basada en un modelo. Para tal propósito, producimos pulsos de luz usando moduladores acusto-ópticos que producen pulsos de luz que están precisamente caracterizados, junto con el sistema de detección. Los datos se analizan a continuación con un osciloscopio, reuniendo todos los datos en el dominio del tiempo. La representación del dominio de la frecuencia se calcula utilizando funciones matemáticas. De esta manera, se prueba que nuestro detector está limitado por el ruido de disparo para luz continua. Después, se muestra cómo se produce el ruido técnico de manera controlada, y cómo se reúne la información necesaria para calcular la función patrón. Finalmente, se muestra la detección limitada por el ruido de disparo para pulsos sin ruido técnico introducido primero, y luego, se hace una demostración experimental con 10 dB de ruido técnico, que se filtra a continuación usando la función patrón. La parte final de esta investigación está enfocada a la recuperación óptima de la señal para polarimetría pulsada. Recordamos los parámetros de Stokes y cómo estimar el estado de polarización de una señal. Luego, introducimos el filtro de Wiener, que es una técnica ampliamente usada en el procesamiento de señales. Para el paso final, mostramos cómo se recupera, bajo las mejores condiciones, el ángulo de rotación de polarización con una señal que tiene 10 dB de ruido técnico. Obteniendo el límite estándar cuántico para la estimación fase/ángulo y superando así el estimador de Wiener. Debido a la correlación entre polarimetría pulsada y la estimación magnética usando conjuntos atómicos magnéticos vía el efecto de Faraday, esta técnica de filtraje de función patrón puede ser fácilmente usada para sondear conjuntos atómico-magnéticos en ambientes con fuerte ruido técnico.
To measure quantum features in a classical world constrains us to extend the classical technology to the limit, inventing and discovering new schemes to use the classical devices, while reducing and filtering the sources of noise. Balanced detectors, e.g. when measuring a low- noise laser, have become an exceptional tool to attain the shot-noise level, i.e., the standard quantum limit for measuring light. To detect light pulses at this level requires to decreasing and also to filtering all other sources of noise, namely electronic and technical noise.
The aim of this work is to provide a new tool for filtering technical and electronic noises present in the pulses of light. It is especially relevant for signal processing methods in quantum optics experiments, as a means to achieve shot-noise level and reduce strong technical noise by means of a pattern function. We thus present the theoretical model for the pattern-function filtering, starting with a theoretical model of a balanced detector. Next, we indicate how to recover the signal from the output of the balanced detector and a noise model is proposed for the sources of noise and the conditions that should satisfy the filtering algorithm. Finally, the problem is solved and the pattern function is obtained, the one which solves the problem of filtering technical and electronic noises.
Once the pattern function is obtained, we design an experimental setup to test and demonstrate this model-based technique. To accomplish this, we produce pulses of light using acousto-optics modulators, such light pulses are precisely characterized together with the detection system. The data are then analyzed using an oscilloscope which gathers all data in the time domain. The frequency-domain representation is calculated using mathematical functions. In this way, it is proved that our detector is shot-noise limited for continuous-wave light. Next, it is shown how the technical noise is produced in a controlled manner, and how to gather the necessary information for calculating the pattern function. Finally, the shot-noise-limited detection with pulses without technical noise introduced is shown first, and next, an experimental demonstration where 10 dB of technical noise is then filtered using the pattern function.
The final part of this research is focused on the optimal signal recovery for pulsed polarimetry. We recall the Stokes parameters and how to estimate the polarization state from a signal. Next, we introduce a widely used signal processing technique, the Wiener filter. For the final step, we show how to retrieve, under the best conditions, the polarization-rotation angle with a signal that has 10 dB of technical noise. Obtaining that our technique outperforms the Wiener estimator and at the same time obtaining the standard quantum limit for phase/angle estimation. Because of the correlation between pulsed polarimetry and magnetic estimation using magnetic-atomic ensembles via Faraday effect, this pattern-function filtering technique can be readily used for probing magnetic-atomic ensembles in environments with strong technical noise.
Nowadays there is a considerable progress in optical magnetometry and spin noise spectroscopy, which use magnetically-sensitive atomic ensembles and optical read-out, approaching the limits set by quantum mechanics. In recent years optical magnetometers have become the most sensitive instruments for measuring low-frequency magnetic fields, achieving sub-femtotesla sensitivity and surpassing the competitive superconducting quantum interference devices (SQUIDs), and have found applications in biomedicine, geophysics, space science as well as in tests of fundamental physics. Another emerging technique is spin noise spectroscopy (SNS), which allows one to determine physical properties of an unperturbed spin system from its power noise spectrum. In the last decade technological advances like real-time spectrum analyzers and shot-noise-limited detectors have allowed improvements in the sensitivity of spin noise detection leading to a broad range of applications in both atomic and solid state physics. The main goal of this thesis is to address a major outstanding question: whether squeezed light can improve the sensitivity of atomic sensors under optimal sensitivity conditions, typically in a high-density regime due to the statistical advantage of using more atoms. Firstly, we describe the design, construction and characterization of a new versatile experimental apparatus for the study of squeezed-light atomic spectroscopy within a high-density regime (n=¿10¿^12 ¿cm¿^(-3)) and low-noise (¿pT/vHz) magnetic environment. The new experimental system is combined with an existing source of polarization squeezed light based on spontaneous parametric down conversion (SPDC) in a nonlinear crystal, which is the active medium of an optical parametric oscillator. Secondly, we report the first experimental demonstration of quantum-enhanced spin noise spectroscopy of natural abundance Rb via polarization squeezing of the probe beam. We found that input squeezing of 3.0 dB improves the signal-to-noise ratio by 1.5 dB to 2.6 dB over the combined (power¿number density) ranges (0.5 mW to 4.0 mW) ¿ (1.5 ׿10¿^12 ¿cm¿^(-3) to 1.3 ׿10¿^13 ¿cm¿^(-3)), covering the ranges used in optimized spin noise spectroscopy experiments. We also show that squeezing improves the trade-off between statistical sensitivity and broadening effects. Next, we introduce a novel theoretical model by defining a standard quantum limit (SQL) for optically-detected noise spectroscopy, identified as a bound to the covariance of the parameters estimated by fitting power noise spectra. We test the model for spin noise spectroscopy of natural abundance Rb and we demonstrate experimental performance of SNS at the SQL for a coherent probe and below the SQL for a polarization squeezed probe. Finally, we report an optical magnetometer based on amplitude modulated optical rotation (AMOR), using a 85Rb vapor cell, that achieves room temperature sensitivity of 70 fT/vHz at 7.6 µT and we demonstrate its photon shot-noise-limited (SNL) behaviour from 5 µT to 75 µT. While no quantum resources of light were used in this second experiment, the combination of best sensitivity, in the class of room-temperature scalar Hoy en día existe un considerable progreso en la magnetometría óptica y espectroscopía de ruido de espin, que utilizan conjuntos atómicos magnéticamente sensibles y lectura óptica, acercándose a los límites establecidos por la mecánica cuántica. En los últimos años los magnetómetros ópticos se han convertido en los instrumentos más sensibles para medir los campos magnéticos de baja frecuencia, logrando sensibilidad de sub-femtotesla y superando dispositivos como los superconductores de interferencia cuántica (SQUID), y han encontrado aplicaciones en biomedicina, geofísica, ciencia espacial, así como en varias pruebas de física fundamental. Otra técnica emergente es la espectroscopía de ruido de espin (SNS), que permite determinar las propiedades físicas de un sistema de espin sin perturbarlo por medio de su espectro de potencia de ruido. En la última década, los avances tecnológicos como analizadores de espectro en tiempo real y detectores limitados por el ruido de disparo de fotón han permitido mejoras en la sensibilidad de detección de ruido de spin que conduce a una amplia gama de aplicaciones tanto en la física del estado sólido como en la física atómica. El objetivo principal de esta tesis es responder a una cuestión pendiente e importante: si la "luz comprimida" puede mejorar la sensibilidad de los sensores atómicos en condiciones óptimas para la sensibilidad, típicamente en un régimen de alta densidad debido a la ventaja estadística de utilizar más átomos. En primer lugar, se describe el diseño, construcción y caracterización de un nuevo aparato experimental versátil para el estudio de la espectroscopia atómica con luz comprimida dentro de un régimen de alta densidad (n=¿10¿^12 ¿cm¿^(-3)) y bajo nivel de ruido magnético (¿pT/vHz). El nuevo sistema experimental se combina con una fuente existente de luz comprimida en polarización, basado en el proceso de conversión paramétrica espontánea descendente (SPDC) en un cristal no lineal, que es el medio activo de un oscilador paramétrico óptico. En segundo lugar, se presenta la primera demostración experimental de espectroscopía de espin de Rubidio, en abundancia natural, mejorada a través de la compresión en polarización de la luz de prueba. Se encontró que la entrada de 3.0 dB de luz comprimida mejora la relación señal-ruido de 1.5 dB a 2.6 dB en el intervalo combinado (potencia óptica)¿(densidad atómica) de (0.5 mW to 4.0 mW) ¿ (1.5׿10¿^12 ¿cm¿^(-3) to 1.3׿10¿^13 ¿cm¿^(-3)), que cubre rangos utilizados en los experimentos optimizados de espectroscopía de ruido de espin. También mostramos que la luz comprimida mejora el equilibrio entre la sensibilidad estadística y efectos de ampliación de la resonancia. A continuación, se introduce un nuevo modelo teórico con la definición de un límite cuántico estándar (SQL) para la espectroscopía de ruido detectado ópticamente, identificado como un límite a la covarianza de los parámetros estimados mediante el ajuste de los espectros de potencia de ruido. Probamos el modelo para la espectroscopia de ruido de espin en abundancia natural de rubidio y demostramos el rendimiento experimental de la espectroscopia de ruido al límite cuántico estándar para una haz coherente y por debajo del SQL para una haz de luz comprimida en polarización. Por último, se presenta un magnetómetro óptico basado en rotación óptica modulada en amplitud (AMOR), utilizando una celda de vapor de 85Rb, que logra sensibilidad a la temperatura ambiente de 70 fT/vHz a 7.6 µT y demostramos su limite de ruido de disparo de fotón (SNL) en el intervalo de 5 µT a 75 µT. Si bien no se utilizaron recursos cuánticos de la luz en este segundo experimento, la combinación de la mejor sensibilidad, en la clase de los magnetómetros escalares de temperatura ambiente, y con operación al limite de ruido de disparo hace que el sistema sea un candidato prometedor para la aplicación de luz comprimida a un magnetómetro óptico optimizado con mejor sensibilidad en la clase
En la primera parte, el tema de estudio son las fluctuaciones cuanticas en el Oscilador Optico Parametrico (OPO) de tipo II. En esencia, los OPOs son cavidades opticas que contienen un cristal con una no linealidad de segundo orden. Cuando bombeamos con un laser de frecuencia 2w0, el OPO es capaz de generar frecuencias ws (senal) y wi (vago) de tal forma que ws+wi=2w0. Que el dispositivo sea de Tipo II hace referencia a que estos haces tienen polarizaciones ortogonales. En una descripcion clasica, la generacion de frecuencias requiere que el OPO sea bombeado por encima de un cierto valor umbral; sin embargo, cuanticamente las parejas de fotones senal-vago pueden ser generadas incluso por debajo de ese umbral, lo cual les confiere propiedades cuanticas muy interesantes. En particular, los OPOs de tipo I, en los cuales senal y vago tienen la misma polarizacion, mantienen el record de reduccion de ruido en cuadraturas (single-mode squeezing), lo que se manifiesta en el modo degenerado de frecuencia ws=wi=w0; consistiendo el squeezing en reducir el ruido cuantico en un observable a costa de incrementarlo en su par canonico, preservando asi el principio de incertidumbre, lo que permite, por ejemplo, realizar medidas ultraprecisas virtualmente libres de ruido cuantico. Por otro lado, los OPOs de tipo II ademas de proporcionar squeezing en la suma de fases de senal y vago (lo que no resulta detectable puesto que se trata de una cuadratura mixta que implica a dos modos de frecuencias y polarizaciones diferentes), tiene reduccion completa de ruido en la resta de intensidades, lo cual quiere decir que sus amplitudes estan perfectamente correlacionadas y los haces ?entrelazados?. Cuando dos sistemas estan entrelazados, presentan correlaciones cuanticas no-locales que pueden explotarse para muchas aplicaciones impensables en el dominio clasico. Sin embargo, para la manipulacion y deteccion de estos estados es muy conveniente que los campos generados esten degenerados en frecuencia (locking). Hasta ahora, las tecnicas conocidas que consiguen locking deterioran los niveles de squeezing y entrelazamiento. La primera vez que fue propuesta una tecnica de locking fue por Fabre y colaboradores. En esta parte de la tesis, nosotros proponemos una alternativa de conseguir degeneracion a frecuencia w0. Mostramos que el locking puede ser conseguido en el OPO tipo II preservando buenos niveles de entrelazamiento. En la segunda parte de la tesis nos centramos en el estudio de simuladores cuanticos de la fisica de sistemas de muchos cuerpos. En particular, nos centramos en el estudio de colecciones (arrays) de cavidades opticas, cada una interactuando fuertemente con un emisor de dos niveles. Este tipo de sistemas han recibido una atencion considerable en los ultimos anos. Se han descubierto fases coherentes fuertemente correlacionadas y se ha discutido sobre analogias con el efecto hall cuantico y con estados cuanticos topologicamente protegidos. En investigaciones anteriores el mecanismo de bombeo utilizado ha sido un bombeo coherente para cada cavidad, con lo que la relacion de fase entre los campos de cavidades distantes podia ser atribuida, al menos en parte, a la relacion de fase entre los campos coherentes bombeados. En este trabajo mostramos que la coherencia entre cavidades distantes puede construirse espontaneamente, provocada solo por los procesos fisicos dentro del array. De esta forma nos preguntamos si en estas estructuras se pueden desarrollar superfluidos fuera del equilibrio o condensados de Bose Einstein. Por este motivo, consideramos que el array de cavidades esta bombeado solo de forma incoherente. Para una sola cavidad el sistema se reduce al laser de un solo emisor (one- emitter laser), ampliamente estudiado en trabajos anteriores. En nuestro analisis nos concentramos en las correlaciones en cavidades distantes, tipicamente consideradas para investigar efectos de rango lejano y la emergencia de superfluidez. De hecho encontramos correlaciones colectivas cuando las cavidades se encuentran en regimen de emision laser. Estas correlaciones decaen mas rapido que ninguna potencia de la distancia cuando la distancia entre cavidades tiende a infinito para cualquier dimension del array. Como es de esperar, la longitud de correlacion asociada aumenta al aumentar el acoplo entre cavidades. Tambien encontramos propiedades intrinsecas del laser, como el tipico espectro de fotoluminiscencia, el triplete de Mollow, el cual puede ser observado lejos de la resonancia entre emisor y cavidad debido a la aparicion de modos fotonicos colectivos. La tercera parte de la tesis se centra en el estudio de cavidades optomecanicas, que son resonadores opticos (dos espejos enfrentados, por ejemplo) iluminados por un laser, en los que se produce una interaccion entre la luz y uno o varios sistemas mecanicos. Estos dispositivos pueden implementarse de varias formas, siendo la mas sencilla la que asume que la luz ejerce una presion de radiacion que puede modificar la posicion de un espejo movil. El uso de resonadores opticos permite aumentar en varios ordenes de magnitud la intensidad de la luz en el interior de la cavidad, lo cual conduce a una mejora impresionante de la interaccion. Las cavidades optomecanicas han sido implementadas usando diferentes osciladores mecanicos (OMs) como, por ejemplo, resonadores microtoroidales o membranas suspendidas en una cavidad. Desde el punto de vista cuantico, estos dispositivos tambien pueden proporcionar estados cuanticos de la luz como squeezed o entrelazados, asi como enfriamiento del OM (laser cooling). El laser cooling es una tecnica para enfriar el OM hasta su estado fundamental (el de minima energia), punto de partida para estudiar la transicion microscopica-macroscopica de las leyes mecano-cuanticas. El modelo propuesto en esta parte de la tesis, permite la coexistencia de muchos modos tanto mecanicos como opticos (estamos entonces en presencia de un sistema intrinsecamente multimodo). A traves del estudio de la estabilidad del sistema hemos obtenido que pueden coexistir dos soluciones homogeneas (biestabilidad) y que no solo existen inestabilidades temporales, sino que tambien pueden formarse estructuras espaciales disipativas. Por ejemplo, partiendo de una inyeccion plana (invariante bajo traslaciones) encontramos patrones hexagonales (que rompen espontaneamente la simetria espacial), y, en la zona de biestabilidad, donde los patrones coexisten con una solucion homogenea, encontramos solitones de cavidad.
We demonstrate a tool for filtering technical and electronic noises from pulses of light, especially relevant for signal processing methods in quantum optics experiments as a means to achieve the shot-noise level and reduce strong technical noise by means of a pattern function. We provide the theory of this pattern-function filtering based on balance detection. Moreover, we implement an experimental demonstration where 10 dB of technical noise is filtered after balance detection. Such filter can readily be used for probing magnetic atomic ensembles in environments with strong technical noise.
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.
Measuring the quantum fluctuations of a laser source is the first task in performing continuous variable quantum key distribution protocols. The quantum fluctuations of the source are measured using balanced homodyne detection. In this paper, we have measured the shot noise of a pulsed laser using imperfect homodyne detection. The imperfections accounted for in the detection process are a delay between the homodyne output arms and also due to the selection of the pulse integration window larger as well as smaller than the photo-current pulse width during the analysis. We have analyzed the imperfect detection results for two different experimental layouts, and a comparative study has been performed. From our analysis, it is evident that these imperfections play a significant role in balanced homodyne detection and must be optimized properly. Our results indicate that balanced homodyne detection can be performed using limited resources, which paves the way for easy experimental realization of optical homodyne tomography and continuous variable quantum key distribution in a laboratory setting.