Quantum optics experiments are currently the most advanced techniques to under- stand, verify and simulate quantum phenomena. However, to access all the perfor- mance available in quantum states of light, one needs to address fundamental opera- tional limits. In quantum mechanics, the measurement strategy affects the quantum state; therefore, to access all the degrees of freedom available in the quantum states, one must implement the optimal feasible measurement. In this thesis, I investigate how to perform more precise measurements in optics, namely slit-interference and image resolution, by exploiting the quantum mechanical nature of light. A complete description of multi-slit interference must include nonclassical paths, Feyn- man paths that goes through two or more slits. Prior work with atomic interference in the double-slit experiment with cavities as which-way detectors, has shown these paths to be experimentally inaccessible. In this thesis I show how such a setup can detect nonclassical paths with 1% probability, if different nonclassical paths are in- cluded. I also show how this setup can be used to erase and restore the coherence of the nonclassical paths. In the same chapter I demonstrate how the same setup could implement an exact measure of Born-rule violation. And in the last part I debate about the figures of merit in the literature to test the Born-rule. During more than one century, there was a fundamental limit on image resolution; due to diffraction effects in finite detectors apertures, one cannot resolve two incoher- ent sources very close to each other, e.g. stars. In the last decade, the formalism of quantum information allowed new proposals for sub-diffraction limited resolution or super-resolving measurements. Nevertheless, these measurements are susceptible to misalignment. In this thesis, I suggest alternative measurement strategies to incorpo- rate misalignment in super-resolution imaging, showing that sub-diffraction limited resolution is still possible. The proposed measurements can be implemented using linear optical transformations and offer an advantage in the case of estimation and discrimination of two incoherent point sources allowing one to quantify the mitigat- ing effects of misalignment. Moreover, I propose a collective measurement strategy, on two or more photons, that estimates the separation between two incoherent point sources and is oblivious to misalignment. In an optics experiment, the quantum state verification relies on tomography measure- ments on copies of the prepared state. The error in tomography experiments is called confidence region, and it defines the region in which the quantum state is found with the desired probability. There are different methods to compute confidence regions; in this thesis, I analyze the capability of the known methods by resolving two nearby quantum states using a finite amount of measurement data. Actualmente, los experimentos en óptica cuántica son las técnicas más avanzadas para entender, verificar y simular los fenómenos cuánticos. Sin embargo, para obtener el máximo desempeño de los estados cuánticos, es necesario, primeramente, resolver algunas limitaciones teóricas fundamentales. En mecánica cuántica, el procedimiento de medición afecta el estado cuántico; por tanto, es necesario elaborar una estrategia de medición con posibilidad de ejecución práctica que permita acceder a todos los grados de libertad disponibles de los estados cuánticos. En esta tesis, yo uso la naturaleza cuántica de la luz para investigar, de forma teórica, cómo realizar mediciones ópticas más precisas, por ejemplo: medir con mejor precision los patrones de interferencia producidos por rendijas múltiples y obtener imágenes con mejor resolución. Una descripción detallada de la interferencia de múltiples rendijas debería incluir caminos no-clásicos, como los caminos de Feynman que pasan por dos o más rendijas. En trabajos anteriores, se demostró que la interferencia de átomos en la doble-rendija con cavidades ópticas, no es posible detectar los caminos no-clásicos. En esta tesis muestro cómo seria viable detectar con la misma configuración diferentes caminos no-clásicos con un 1% de probabilidad. También muestro, cómo se puede usar esta configuración para detectar o borrar la coherencia de los caminos no-clásicos. En el mismo capítulo, demuestro cómo esta configuración podría ser implementada para obtener una medida exacta de violación de la regla de Born. Finalmente, en la última parte discuto sobre las figuras de mérito en la literatura, para contrastar la regla de Born. Durante más de un siglo, fue asumida la existencia de un límite fundamental en la resolución de imágenes; dicho límite fue asociado a las aberturas finitas de los detectores que producen efectos de difracción e impiden distinguir dos fuentes de luz incoherentes muy cercanas entre sí, como por ejemplo, dos estrellas. En la última década, con el desarrollo de la información cuántica surgieron nuevas propuestas para medir fuentes de luz con una precisión mejorada. Sin embargo, estas medidas son sensibles a desalineamiento del instrumento de medida. En esta tesis, propongo nuevas estrategias de medición para incorporar el propio desalineamiento en la súperresolución de imágenes, y cuantifico los diferentes limites en resolución en presencia de tal desalineamiento. Las medidas que propongo pueden ser implementadas utilizando transformaciones ópticas lineales y ofrecen una ventaja en el caso de estimación y discriminación de dos fuentes de luz incoherentes. Además, propongo otra estrategia de medición colectiva, actuando en dos o más fotones, mediante la cual es posible estimar la separación entre dos fuentes de luz incoherentes, sin que la medida sea afectada por el desalineamiento. En un experimento de óptica, la verificación del estado cuántico se basa en la estadística de la tomografía del estado cuántico preparado. La incertidumbre en los experimentos de tomografía se denomina la región de confianza y define una región en que se encuentra el estado cuántico con la probabilidad deseada. Existen diferentes métodos para calcular las regiones de confianza; En esta tesis, analizo la capacidad de los métodos conocidos para resolver dos estados cuánticos cercanos utilizando una cantidad finita de datos de medición.
Quantum optics experiments are currently the most advanced techniques to under- stand, verify and simulate quantum phenomena. However, to access all the perfor- mance available in quantum states of light, one needs to address fundamental opera- tional limits. In quantum mechanics, the measurement strategy affects the quantum state; therefore, to access all the degrees of freedom available in the quantum states, one must implement the optimal feasible measurement. In this thesis, I investigate how to perform more precise measurements in optics, namely slit-interference and image resolution, by exploiting the quantum mechanical nature of light. A complete description of multi-slit interference must include nonclassical paths, Feyn- man paths that goes through two or more slits. Prior work with atomic interference in the double-slit experiment with cavities as which-way detectors, has shown these paths to be experimentally inaccessible. In this thesis I show how such a setup can detect nonclassical paths with 1% probability, if different nonclassical paths are in- cluded. I also show how this setup can be used to erase and restore the coherence of the nonclassical paths. In the same chapter I demonstrate how the same setup could implement an exact measure of Born-rule violation. And in the last part I debate about the figures of merit in the literature to test the Born-rule. During more than one century, there was a fundamental limit on image resolution; due to diffraction effects in finite detectors apertures, one cannot resolve two incoher- ent sources very close to each other, e.g. stars. In the last decade, the formalism of quantum information allowed new proposals for sub-diffraction limited resolution or super-resolving measurements. Nevertheless, these measurements are susceptible to misalignment. In this thesis, I suggest alternative measurement strategies to incorpo- rate misalignment in super-resolution imaging, showing that sub-diffraction limited resolution is still possible. The proposed measurements can be implemented using linear optical transformations and offer an advantage in the case of estimation and discrimination of two incoherent point sources allowing one to quantify the mitigat- ing effects of misalignment. Moreover, I propose a collective measurement strategy, on two or more photons, that estimates the separation between two incoherent point sources and is oblivious to misalignment. In an optics experiment, the quantum state verification relies on tomography measure- ments on copies of the prepared state. The error in tomography experiments is called confidence region, and it defines the region in which the quantum state is found with the desired probability. There are different methods to compute confidence regions; in this thesis, I analyze the capability of the known methods by resolving two nearby quantum states using a finite amount of measurement data. Actualmente, los experimentos en óptica cuántica son las técnicas más avanzadas para entender, verificar y simular los fenómenos cuánticos. Sin embargo, para obtener el máximo desempeño de los estados cuánticos, es necesario, primeramente, resolver algunas limitaciones teóricas fundamentales. En mecánica cuántica, el procedimiento de medición afecta el estado cuántico; por tanto, es necesario elaborar una estrategia de medición con posibilidad de ejecución práctica que permita acceder a todos los grados de libertad disponibles de los estados cuánticos. En esta tesis, yo uso la naturaleza cuántica de la luz para investigar, de forma teórica, cómo realizar mediciones ópticas más precisas, por ejemplo: medir con mejor precision los patrones de interferencia producidos por rendijas múltiples y obtener imágenes con mejor resolución. Una descripción detallada de la interferencia de múltiples rendijas debería incluir caminos no-clásicos, como los caminos de Feynman que pasan por dos o más rendijas. En trabajos anteriores, se demostró que la interferencia de átomos en la doble-rendija con cavidades ópticas, no es posible detectar los caminos no-clásicos. En esta tesis muestro cómo seria viable detectar con la misma configuración diferentes caminos no-clásicos con un 1% de probabilidad. También muestro, cómo se puede usar esta configuración para detectar o borrar la coherencia de los caminos no-clásicos. En el mismo capítulo, demuestro cómo esta configuración podría ser implementada para obtener una medida exacta de violación de la regla de Born. Finalmente, en la última parte discuto sobre las figuras de mérito en la literatura, para contrastar la regla de Born. Durante más de un siglo, fue asumida la existencia de un límite fundamental en la resolución de imágenes; dicho límite fue asociado a las aberturas finitas de los detectores que producen efectos de difracción e impiden distinguir dos fuentes de luz incoherentes muy cercanas entre sí, como por ejemplo, dos estrellas. En la última década, con el desarrollo de la información cuántica surgieron nuevas propuestas para medir fuentes de luz con una precisión mejorada. Sin embargo, estas medidas son sensibles a desalineamiento del instrumento de medida. En esta tesis, propongo nuevas estrategias de medición para incorporar el propio desalineamiento en la súperresolución de imágenes, y cuantifico los diferentes limites en resolución en presencia de tal desalineamiento. Las medidas que propongo pueden ser implementadas utilizando transformaciones ópticas lineales y ofrecen una ventaja en el caso de estimación y discriminación de dos fuentes de luz incoherentes. Además, propongo otra estrategia de medición colectiva, actuando en dos o más fotones, mediante la cual es posible estimar la separación entre dos fuentes de luz incoherentes, sin que la medida sea afectada por el desalineamiento. En un experimento de óptica, la verificación del estado cuántico se basa en la estadística de la tomografía del estado cuántico preparado. La incertidumbre en los experimentos de tomografía se denomina la región de confianza y define una región en que se encuentra el estado cuántico con la probabilidad deseada. Existen diferentes métodos para calcular las regiones de confianza; En esta tesis, analizo la capacidad de los métodos conocidos para resolver dos estados cuánticos cercanos utilizando una cantidad finita de datos de medición.
En esta tesis se presentan los resultados de una serie de experimentos opticos en los que se ejecutan algoritmos de comunicaciones cuanticas para realizar Distribucion Cuantica de Claves(DCC) criptograficas con estados coherentes de muy baja intensidad. Especificamente, se estudia la implementacion de esquemas practicos y robustos de DCC, con especial interes en sistemas basados en fibra optica. A diferencia de las comunicaciones por aire, este medio permite transmitir estados cuanticos con bajisimas atenuaciones y minimas perturbaciones externas, utilizando instrumental comercialmente disponible y de bajo costo, incluso para distancias de decenas de kilometros. Los protocolos de DCC estudiados codifican informacion clasica (bits) en estados cuanticos preparados sobre distintos grados de libertad discretos de sistemas fisicos. En el trabajo se exploran implementaciones que explotan la polarizacion y los modos temporales discretos de luz (time-bin). En ambos casos, fue necesario desarrollar y familiarizarse con tecnologias especificas para la preparacion, transmision y deteccion de dichos estados cuanticos. El problema de transmitir estados cuanticos en fibra de forma eficiente y robusta se ataco con dos estrategias. Por un lado, utilizando el grado de libertad de polarizacion y, por otro, modos temporales discretos de luz. En el primer caso, se codificaron los estados en el grado de libertad de polarizacion, que es facilmente accesible. Sin embargo, este es muy sensible a perturbaciones, por lo que para asegurar la robustez se incorporo un sistema de estabilizacion activa del Estado de Polarizacion(SOP, por su sigla en ingles). Con este esquema se implementaron dos variantes de un protocolo clasico de DCC, llamado BB84, utilizando la polarizacion de pulsos de luz para codificar los estados cuanticos. Esto requirio el desarrollo de una fuente de pulsos tenues de luz basada en un laser DFB en el rango de las telecomunicaciones, con un modulador de intensidad externo por electroabsorcion. Se diseno un sistema de estabilizacion de la polarizacion robusto que permite compensar de forma automatica las perturbaciones que genera la birrefringencia de la fibra sobre el estado de polarizacion. El sistema esta basado en controladores de polarizacion comerciales y electronica de control disenada especificamente, y puede ser adaptado facilmente a cualquier protocolo de comunicacion por fibra. En este sentido, se realizo una implementacion del protocolo BB84 y una variante llamada BB84E, que requiere la utilizacion de los seis estados de un conjunto completo de bases mutuamente no sesgadas para la polarizacion. En el segundo caso, se ensayo una codificacion mas sofisticada y resistente a perturbaciones, que implico enfrentar una serie de desafios tecnologicos, pero que se presenta como una alternativa practica y escalable en distancia de transmision y velocidad. Se propuso un esquema hibrido de DCC basado en un protocolo de referencia de fase distribuida con comunicacion bidireccional (Plug & Play), ambas tecnologias desarrolladas para trabajar especificamente en fibra optica, en un esquema con economia de recursos y distribucion tipo servidor-cliente. Asi, se obtuvo una configuracion en donde tanto el instrumental como las operaciones sobre los estados mas sensibles del protocolo se encuentran concentradas en una de las partes (servidor), mientras que los requerimientos sobre la otra parte involucrada en la comunicacion son minimos. Esta alternativa combina diferentes caracteristicas deseables en una implementacion practica de DCC, como la simplicidad y la robustez. El esquema propuesto codifica estados cuanticos en modos temporales discretos de luz. Esto requirio el desarrollo de dispositivos especificos para preparar y medir estos estados, basados en interferometros de fibra optica que no demanden estabilizacion activa. Otra de las premisas fue la independencia de funcionamiento del estado de polarizacion, que se logra a partir de la incorporacion de rotadores de Faraday en diferentes partes del esquema empleado. Por ultimo, debido al tipo de codificacion y al sistema de sincronizacion utilizados, este esquema es adaptable a tasas de transmision en el rango de los MHz. De los experimentos de DCC mencionados se desprenden una serie de desarrollos y pruebas de laboratorio adicionales, que son relevantes por si mismos. Entre ellos figuran la estabilizacion activa de interferometros de Mach-Zehnder en fibra y el estudio de esquemas experimentales alternativos para el protocolo hibrido de DCC propuesto. Tambien se puede destacar la puesta a punto de un prototipo autonomo de DCC en aire y su adaptacion para obtener un protocolo que distingue mezclas computables (pseudoaleatorias) de estados cuanticos. Este es un tema de interes para el procesamiento cuantico de la informacion en general. Las tecnicas abordadas y el know-how adquirido permiten entender y superar distintos problemas particulares de la utilizacion de estados cuanticos en comunicaciones por fibra optica. Ademas, estos desarrollos tienen la capacidad de ser empleados tanto en ensayos de DCC que excedan el ambito del laboratorio, como en un contexto mas amplio que permita implementar otros protocolos de comunicacion cuantica usando fibras opticas de telecomunicaciones como canal cuantico.
In this dissertation we begin with a brief introduction to quantum optics concentrating on the topics of the noise of quantum optical states, quantum estimation theory, quantum interferometry and the atom-field interaction. This background is necessary for understanding the discussions in later chapters. In particular, quantum interferometry, which is optical interferometry when the light source is a quantum mechanical state, plays a central role in this dissertation. In Chapter 2 we discuss the phase estimation sensitivity of quantum metrology when photon loss is present. In Chapter 3 we extend the discussion to include the phase fluctuation of the system caused by the environment. We model our metrological system with the Mach-Zehnder interferometer (MZI) and use a light field in the symmetric number-path entangled state as the source. In both chapters we use the parity operator as the detection scheme and show that it is optimal under pure dephasing. In Chapter 4 we discuss the application of quantum optical states in remote sensing and propose a new scheme for a quantum radar. Again, our scheme consists of a MZI and a coherent light source. It is shown that using only coherent states of light and quantum homodyne detection, super-resolving ranging and angle determination are achievable. Chapter 5 is devoted to the generation of a super-resolving single-photon number-path entangled state which may serve as a proof-of-principle prototype for quantum lithography. The repeated implementation of MZIs is shown to be able to remove photons coherently from both modes of a symmetric number-path entangled state with arbitrarily high photon number. Lastly, in Chapter 6 we introduce the phenomenon known as polarization self-rotation and discuss its potential in generating a squeezed vacuum state, which has a huge impact in quantum interferometry.
The insights offered by quantum mechanics to the field of optical metrology are many-fold, with non-classical states of light themselves used to make sensors that surpass the sensitivity of sensors using classical states of light. Unfortunately, this advantage, referred to often as "super-sensitivity" is notoriously fragile, and even the slightest experimental imperfections may greatly reduce the efficacy of the non-classical sensors, sometimes completely obviating their advantage. In my thesis I have shown that the performance of an otherwise ideal two-photon interferometer, which exploits entanglement between photons to make super-sensitive measurements of phase, is crippled by the slightest introduction of decoherence between modes of the interferometer. I have shown further that such drastic reduction in sensitivity can also appear in classical measurement problems, specifically that the recently developed methods of estimating the separation between a pair of point sources are rendered less effective when the ideal assumption of complete spatial incoherence is relaxed. Towards overcoming these and other issues, I have designed new configurations that use ancillary optical degrees of freedom, a tool-set that has recently garnered much interest in the field of quantum optics. In the context of two-photon interferometry, I have shown that by coupling polarization to the spatial-structure of the two photon state used to probe phase it is possible to obviate the need for a reference phase, even in the context of decoherence and imperfections in the interferometer. In the context of two-point resolution, I have developed an anisotropic imaging system that performs the function of an image-inversion interferometer and is inherently stable, offering an attractive implementation of recently developed methods of sub-Rayleigh imaging. I have further shown both theoretically and experimentally that the same anisotropic image-inversion interferometer is useful in measuring spatially encoded phases, both in the context of classical illumination as well as quantum-aided two-photon super-sensing. In both cases, the ability to perform interferometric measurements of the spatial structure of an electric field without splitting beam paths forms a bridge between conception and implementation of precision-sensing measurement strategies. Finally, I have shown that binary interferometric method based on the common-path anisotropic imaging system that I introduced, are able to measure both phase gradients and transverse beam tilts with a sensitivity beating conventional systems that are used both commercially and in research laboratories.
En esta tesis doctoral estudiamos el fenomeno de la polarizacion para campos cuanticos. En el caso de campos clasicos el estado de polarizacion es elegantemente visualizado por medio de la esfera de Poincare, y la polarizacion se cuantifica por medio de los parametros de Stokes. Estos son cantidades medibles que permiten la ordenacion de los estados de la luz segun su grado de polarizacion. Hasta cierto punto, este formalismo es extensible al caso cuantico, donde se definen los operadores de Stokes, cuyos valores esperados coinciden con los parametros de Stokes. Por analogia con el caso clasico, en el cual el grado de polarizacion se define como la longitud del vector de Stokes, podriamos definir en optica cuantica el grado de polarizacion de esta misma forma sustituyendo los parametros de Stokes por el valor promedio de los operadores de Stokes. Sin embargo, esta definicion tiene importantes inconvenientes. Se trata de una cantidad clasica que no distingue entre campos cuanticos con significativas diferencias en cuanto a su polarizacion. La apreciacion de los sutiles efectos que surgen en el mundo cuantico requiere del escrutinio de las fluctuaciones de polarizacion de mayor orden (mas alla de las correlaciones de segundo orden en los campos que son las unicas tenidas en cuenta en el tratamiento estandar de la polarizacion en optica clasica). La forma mas inmediata de conseguir esto es expandiendo el sector de polarizacion del estado (la parte del operador densidad que es accesible mediante medidas de polarizacion) en multipolos. Una vez hecho el desarrollo en multipolos, vemos como estos estan relacionados con las cantidades medibles en el laboratorio. La distribucion de probabilidad para estos multipolos proporciona asi una informacion completa sobre las propiedades de polarizacion de cualquier estado y, en terminos de estos, proponemos una medida adecuada para la evaluacion cuantitativa de las fluctuaciones de la polarizacion. En particular, resulta conveniente la introduccion de lo que denominamos distribucion acumulativa, que contiene la informacion de polarizacion hasta el orden M. Es remarcable que, dentro de un subespacio con un numero definido de fotones, los estados coherentes de SU(2) son los estados que alcanzan el valor maximo de la distribucion acumulativa para cualquier orden M. El caso contrario en el que esta distribucion se anula hasta dicho orden es el de los estados despolarizados a M orden. Existe un amplio consenso en considerar los estados coherentes como los estados con propiedades mas clasicas. Es irresistible preguntarse por los estados que minimizan esta distribucion acumulativa, ya que estos estados son lo opuesto a los estados coherentes de SU(2) y, por tanto, son los estados mas no-clasicos permitidos por la teoria cuantica. En esta tesis calculamos esos estados, a los que denominamos Reyes Cuanticos, por medio de metodos computacionales que hacen uso de las bases de Grobner. Ademas, empleamos la representacion de Majorana para obtener una valiosa imagen geometrica de estos estados. Mientras la representacion de Majorana para un estado coherente de SU(2) corresponde a un unico punto (degenerado) en la esfera unidad, los Reyes Cuanticos estan representados por constelaciones de Majorana con los puntos situados de una forma muy simetrica alrededor de la esfera. Estudiamos las relaciones entre estas constelaciones de Majorana y los t-disenos esfericos. La evidencia numerica nos hace conjeturar que el maximo orden de despolarizacion posible para un estado de N fotones coincide con el grado t de un t-diseno esferico optimo con N puntos. Finalmente, estudiamos las posibles aplicaciones de estos estados extremos con especial atencion a su utilidad en metrologia cuantica.
This thesis fathoms the possibilities and limitations of measurements in quantum optics. After a short introduction to the general aspects of measurements in quantum mechanics, it presents three examples of a measurement process in concrete applications to quantum optics. For one, while operators describing quantities of interest might have a simple theoretical form, it is often hard to actually implement a measurement of their expectation values experimentally. This situation is encountered in the first part which is devoted to the measurement of quantum statistical properties of a light beam. In contrast to classical optics, these statistics are not fully determined by first- and second-order correlations. Instead, higher-order correlations, usually described by non-Hermitian operators, are necessary to characterize the quantum state completely. A particular example is the N-photon Fock state, for which only a measurement of the Nth-order correlations allows for a full characterization. Here, we present a new method how to measure an important class of Nth-order correlations for arbitrary N in a single spatial mode with two polarizations with limited experimental resources. The second part is again centered around the realization of specific measurement operators for photon correlation measurements. However, in contrast to the previous chapter, these measurements are not an end in their own, but are designed to create specific quantum states as a consequence of the measurement process: A suitable measurement of photons emitted by a number of atoms allows to transfer the atoms into long-lived entangled states. We find that with this method it is possible to entangle two remote atomic qubits to an arbitrary and well-defined degree. Furthermore, we show how to generate two families of quantum states in an arbitrary number of remote atomic qubits: one family consists of all -- symmetric and non-symmetric -- total angular momentum eigenstates in N remote qubits, the other is a family of cluster states. It is also systematically investigated whether the technique of quantum state engineering by projective measurements allows for the creation of any arbitrary state. We find explicit solutions for the case of two and three qubits, while it is shown that no solution exist for N > 6. We conclude the section by proving that with some changes in the setup, this measurement-based quantum state engineering technique allows to create the same states among the scattered photons themselves rather than among the emitting atoms. The last part is devoted to the amount of information one is able to gain about a given system when performing a measurement. The corresponding limits of information are investigated at the example of the duality that arises in a two-way interferometer between the visibility of the interference pattern and the knowledge about the path of the interfering object. We show that there exist correlations between the phase difference the interfering object acquires on its way through the interferometer and the amount of which-way information retrievable from certain observables of the which-way detector. In this way, the which-way information becomes a phase-dependent quantity. In particular, we find that for certain values of the phase shift, the amount of extractable which-way information can be larger than allowed by phase-independent measurement. This property is put to use to find the optimal observable for the which-way detector readout in dependence on the phase of the interfering object. Following this strategy, we are able to gain more which-way information than previously thought possible.
En este trabajo, se analiza una teoría que es en cierto modo una extensión natural del campo de las telecomunicaciones clásicas a la mecánica cuántica. Dicha teoría se llama tomografía cuántica y es de hecho una imagen de la mecánica cuántica equivalente a las más habituales que son la imagen de Schrödinger o la de Heisenberg. Esta nueva imagen, difiere de las precedentes en que está muy ligada a la capacidad tecnológica a la hora de medir observables (momento, energía, etc.) en el campo de la óptica cuántica, ya que su objetivo primordial es el de conseguir reconstruir el estado de un sistema cuántico a partir de mediciones en el laboratorio, y dado al avance tecnológico del instrumental de laboratorio disponible como láseres y fotodetectores, cada vez está suscitando mayor interés. En el primer capítulo, veremos cómo nace esta idea de reconstruir estados cuánticos discutiendo brevemente la técnica clásica conocida como Tomografía Axial Computerizada (TAC). Esta técnica está basada en los trabajos de Johann Karl August Radon aplicando la transformada que lleva su nombre. Introduciremos la transformada de Radon de una función de probabilidad definida en el espacio de fases para ver cómo se aplica en el caso del TAC. Para aplicar esta idea para la reconstrucción de estados cuánticos, veremos, en primer lugar, que existe una extensión natural de las técnicas de demodulación de señales moduladas en amplitud (AM) en el campo de la óptica cuántica mostrando que el papel que cumple un mezclador puede ser reemplazado por una combinación de divisores de haz y fotodetectores y mostraremos explícitamente cómo reconstruir el operador densidad que describe un estado cuántico a través de un proceso reminiscente de la transformada de Radon clásica. El segundo capítulo será el corazón de este trabajo. En él, introduciremos de manera formal la descripción tomográfica de la mecánica cuántica. Presentaremos una teoría general, para ello, trataremos a los observables como elementos de un álgebra C_ y los estados serán funcionales lineales positivos que actúen en dicha algebra. Veremos que esta descripción de la mecánica cuántica puede dividirse en dos partes, una primera con el objetivo de obtener una fórmula para reconstruir el estado de un sistema cuántico a partir de una función definida sobre un conjunto llamado conjunto tomográfico, que será un conjunto de observables que tendrá que cumplir una serie de condiciones que expondremos debidamente. A esta primera parte de la teoría, la bautizaremos como Teoría de muestreo generalizada en sistemas cuánticos. La segunda parte estará relacionada con la parte puramente experimental. Lo que hace necesario tener que añadir esta segunda parte es el hecho de que la función definida anteriormente sobre el conjunto tomográfico, que llamaremos función de muestreo, en general, no puede ser medida por medio de los dispositivos con los que contamos en un laboratorio de óptica cuántica, sin embargo, a partir de las mediciones hechas con un fotodetector, podemos obtener distribuciones de probabilidad de cantidades relacionadas con los observables. Entonces, tomando esto último como motivación, esta segunda parte de la teoría consistirá en relacionar esa función de muestreo con una distribución de probabilidad que llamaremos tomograma, que será el resultado directo de un proceso de medida en el laboratorio, y la llamaremos Transformada generalizada positiva por motivos que se expondrán convenientemente. Uno de los problemas más sutiles de esta teoría consiste en hallar un conjunto tomográfico que cumpla las condiciones necesarias para permitir reconstruir el estado a partir de él. Sin embargo, veremos que de manera natural, las representaciones unitarias irreducibles de un grupo finito o de Lie compacto proporcionan conjuntos tomográficos que cumplen las condiciones requeridas, por eso, nos centraremos en el estudio de la reconstrucción de estados a partir de grupos relacionados con el sistema físico dado. Aunque también destacaremos que existen otras representaciones unitarias que nos permiten reconstruir el estado cuántico a partir de ellas, como lo es la representación unitaria irreducible del grupo de Heisenberg Weyl dada por el álgebra de Lie que forman los operadores momento y posición cuánticos que es el ejemplo con el que nace la tomografía cuántica introducido en el primer capítulo. En el tercer capítulo presentaremos un algoritmo numérico que se deriva a partir de unos estados que llamaremos estados adaptados que habremos definido en el capítulo anterior. Este algoritmo nace como un problema inverso, ya que hasta entonces nos habremos centrado en reconstruir estados a partir de un conjunto tomográfico, en especial, cuando el conjunto tomográfico está definido a partir de una representación unitaria de un grupo. Este problema inverso consiste en determinar qué información es posible obtener de una representación unitaria de un grupo si se tiene una familia de estados que describe un sistema físico relacionado con un grupo de simetría. La respuesta a esta pregunta es muy satisfactoria ya que es posible conocer la matriz de transformación de base que nos permita transformar la base, en la que está descrita la representación unitaria, en una base adaptada a los subespacios invariantes bajo la acción de todos los elementos de la representación. Este problema se conoce como descomposición de Clebsh Gordan, ya que dicha transformación aplicada a la representación unitaria la convierte en una matriz diagonal por bloques en la que cada bloque corresponde a una representación unitaria irreducible. La manera en la que resolveremos este problema es con un algoritmo numérico que sólo requiere dos estados adaptados como argumentos de entrada, que pueden ser obtenidos de manera directa si se conoce de forma explícita la representación unitaria que queremos reducir. Este algoritmo lo hemos bautizado con el nombre de SMILY. Hay que destacar que como este algoritmo se ha generado sólo aplicando ciertas transformaciones unitarias sobre matrices que representan un estado cuántico, tiene una extensión natural que podría implementarse en un ordenador cuántico. Para acabar esta tesis, generalizaremos la descripción tomográfica a campos clásicos y cuánticos. Para el caso clásico, primero realizaremos una descripción tomográfico para sistemas con finitos grados de libertad y obtendremos el equivalente tomográfico de la ecuación de Liouville para una densidad de probabilidad y tras esto, haremos el mismo análisis para sistemas con infinitos grados de libertad. Para obtener la descripción tomográfica para campos cuánticos, partiremos del concepto de segunda cuantización y mostraremos el equivalente tomográfico de los axiomas de Wightman Streater para una teoría cuántica de campos. Y para terminar, obtendremos un teorema de reconstrucción para campos escalares y calcularemos el tomograma de ciertos estados de un campo cuántico escalar libre. Comentemos esto último diciendo que es el inicio de una teoría que permitirá una descripción tomográfica de estados, por ejemplo ligados, para teorías con interacción. Para concluir este resumen, quisiera resaltar que el lector especializado, si lo considera conveniente, puede comenzar a leer a partir del segundo capítulo, ya que aunque el primer capítulo sirve como motivación de porqué desarrollar una descripción tomográfica de la mecánica cuántica, el texto puede comprenderse si previamente no se ha leído.