(English) This Ph.D. thesis presents research in imaging and optical sensing, exploring novel concepts, and diverse applications. The experimental schemes put forward here are based on simulating specific aspects of quantum concepts using classical Optics. The last scheme takes the opposite direction. Employing quantum techniques, it develops the quantum version of a Differential Interference Contrast (DIC) microscope. The thesis is divided into several chapters, each addressing distinct aspects of an experimental scheme and its potential applications. item The first scheme introduces a proof-of-concept demonstration of an optical gate that uses light beam with orbital angular momentum. Inspired by the quantum fingerprinting protocol, this gate enables the efficient comparison of data strings and waveforms without the need for signal disclosure. The gate is tested comparing string of bits, strings of quarts and different waveforms. The second scheme presents a protocol to assess the presence of a particular spatial shape (or waveform) in a database, by evaluating the degree of similarity between the unknown spatial shape with all the elements contained in the database. The protocol is tested by comparing the shape of a trimmed disk in a database. The protocol is extended to the temporal domain, where the shapes are encoded in the amplitude of the electric fields. The third scheme is a novel approach to do Optical Coherence Tomography (OCT) with a fully non-mechanical scan. By leveraging the principles of spectral domain OCT and integrating a spatial light modulator (SLM) into the setup, non-mechanical steering of the illumination optical beam is achieved. This innovation eliminates the necessity of transverse scans using mechanical platforms potentially boosting the enhancement of the size, weight, and power (SWaP) of future commercial products. The last scheme is a quantum version of the Differential Interference Contrast (DIC) microscope, harnessing the remarkable Hong-Ou-Mandel (HOM) effect to retrieve phase gradients induced by varying optical thickness. In this case, the knowledge of quantum optics is applied to a microscope technique. The work presented in this thesis contributes to the idea of using protocols from the quantum world that could be mimicked in classical applications. (Català) Aquesta tesi doctoral presenta una recerca en imatges i detecció òptica, explorant conceptes innovadors i diverses aplicacions. Els esquemes experimentals proposats aquí es basen en la simulació d'aspectes específics de conceptes quàntics utilitzant òptica clàssica. L'últim esquema pren la direcció contrària. Emprant tècniques quàntiques, desenvolupa la versió quàntica d'un microscopi de Contrast d'Interferència Diferencial (DIC). La tesi es divideix en diversos capítols, cadascun abordant aspectes diferents d'un esquema experimental i les seves possibles aplicacions. El primer esquema presenta una demostració de prova de concepte d'una porta òptica que utilitza feixos de llum amb moment angular orbital. Inspirada en el protocol quantum fingerprinting, aquesta porta permet la comparació eficient de cadenes de dades sense necessitat de revelar la senyal. La porta es posa a prova comparant cadenes de bits, quarts i diferents fronts d'ona. El segon esquema presenta un protocol per avaluar la presència d'una forma espacial particular (o front d'ona) en una base de dades, mitjançant l'avaluació del grau de similitud entre la forma espacial desconeguda i tots els elements continguts a la base de dades. El protocol es posa a prova comparant la forma d'un disc retallat en una base de dades. El protocol s'estén al domini temporal, on les formes estan codificades en l'amplitud dels camps elèctrics. El tercer esquema és un enfocament innovador per realitzar Tomografia Coherent Òptica (OCT) amb un escaneig totalment no mecànic. Aprofitant els principis de la OCT de domini espectral i integrant un Modulador Espacial de Llum (SLM) en la configuració, s'aconsegueix un escaneig no mecànic del feix òptic d'il·luminació. Aquesta innovació elimina la necessitat d'escanejos transversals utilitzant plataformes mecàniques, la qual cosa podria impulsar l'augment de la grandària, pes i consum d'energia (SWaP, per les seves sigles en anglès) de futurs productes comercials. L'últim esquema és una versió quàntica del microscopi de Contrast d'Interferència Diferencial (DIC), aprofitant el notable efecte Hong-Ou-Mandel (HOM) per recuperar gradients de fase induïts per canvis en el gruix òptic. En aquest cas, s'aplica el coneixement de l'òptica quàntica a una tècnica de microscòpia. El treball presentat en aquesta tesi contribueix a la idea d'utilitzar protocols del món quàntic que podrien ser imitats en aplicacions clàssiques. (Español) Esta tesis de doctorado presenta una investigación en imágenes y detección óptica, explorando conceptos novedosos y diversas aplicaciones. Los esquemas experimentales propuestos aquí se basan en la simulación de aspectos específicos de conceptos cuánticos utilizando Óptica clásica. El último esquema toma la dirección opuesta. Empleando técnicas cuánticas, desarrolla la versión cuántica de un microscopio de Contraste de Interferencia Diferencial (DIC). La tesis se divide en varios capítulos, cada uno abordando aspectos distintos de un esquema experimental y sus posibles aplicaciones. El primer esquema presenta una demostración de prueba de concepto de una compuerta óptica que utiliza haces de luz con momento angular orbital. Inspirada en el protocolo quantum fingerprinting, esta compuerta permite la comparación eficiente de cadenas de datos sin necesidad de revelar la señal. La compuerta se prueba comparando cadenas de bits, cuartos y diferentes frentes de ondas. El segundo esquema presenta un protocolo para evaluar la presencia de una forma espacial particular (o frente de onda) en una base de datos, mediante la evaluación del grado de similitud entre la forma espacial desconocida y todos los elementos contenidos en la base de datos. El protocolo se prueba comparando la forma de un disco recortado en una base de datos. El protocolo se extiende al dominio temporal, donde las formas están codificadas en la amplitud de los campos eléctricos. El tercer esquema es un enfoque novedoso para realizar Tomografía de Coherencia Óptica (OCT) con un escaneo totalmente no mecánico. Aprovechando los principios de la OCT de dominio espectral e integrando un Modulador Espacial de Luz (SLM) en la configuración, se logra un escaneo no mecánico del haz óptico de iluminación. Esta innovación elimina la necesidad de escaneos transversales utilizando plataformas mecánicas, lo que podría impulsar el aumento del tamaño, peso y consumo de energía (SWaP, por sus siglas en ingles) de futuros productos comerciales. El último esquema es una versión cuántica del microscopio de Contraste de Interferencia Diferencial (DIC), aprovechando el notable efecto Hong-Ou-Mandel (HOM) para recuperar gradientes de fase inducidos por cambios en el grosor óptico. En este caso, se aplica el conocimiento de la óptica cuántica a una técnica de microscopía. El trabajo presentado en esta tesis contribuye a la idea de utilizar protocolos del mundo cuántico que podrían ser imitados en aplicaciones clásicas.
(English) This Ph.D. thesis presents research in imaging and optical sensing, exploring novel concepts, and diverse applications. The experimental schemes put forward here are based on simulating specific aspects of quantum concepts using classical Optics. The last scheme takes the opposite direction. Employing quantum techniques, it develops the quantum version of a Differential Interference Contrast (DIC) microscope. The thesis is divided into several chapters, each addressing distinct aspects of an experimental scheme and its potential applications. item The first scheme introduces a proof-of-concept demonstration of an optical gate that uses light beam with orbital angular momentum. Inspired by the quantum fingerprinting protocol, this gate enables the efficient comparison of data strings and waveforms without the need for signal disclosure. The gate is tested comparing string of bits, strings of quarts and different waveforms. The second scheme presents a protocol to assess the presence of a particular spatial shape (or waveform) in a database, by evaluating the degree of similarity between the unknown spatial shape with all the elements contained in the database. The protocol is tested by comparing the shape of a trimmed disk in a database. The protocol is extended to the temporal domain, where the shapes are encoded in the amplitude of the electric fields. The third scheme is a novel approach to do Optical Coherence Tomography (OCT) with a fully non-mechanical scan. By leveraging the principles of spectral domain OCT and integrating a spatial light modulator (SLM) into the setup, non-mechanical steering of the illumination optical beam is achieved. This innovation eliminates the necessity of transverse scans using mechanical platforms potentially boosting the enhancement of the size, weight, and power (SWaP) of future commercial products. The last scheme is a quantum version of the Differential Interference Contrast (DIC) microscope, harnessing the remarkable Hong-Ou-Mandel (HOM) effect to retrieve phase gradients induced by varying optical thickness. In this case, the knowledge of quantum optics is applied to a microscope technique. The work presented in this thesis contributes to the idea of using protocols from the quantum world that could be mimicked in classical applications. (Català) Aquesta tesi doctoral presenta una recerca en imatges i detecció òptica, explorant conceptes innovadors i diverses aplicacions. Els esquemes experimentals proposats aquí es basen en la simulació d'aspectes específics de conceptes quàntics utilitzant òptica clàssica. L'últim esquema pren la direcció contrària. Emprant tècniques quàntiques, desenvolupa la versió quàntica d'un microscopi de Contrast d'Interferència Diferencial (DIC). La tesi es divideix en diversos capítols, cadascun abordant aspectes diferents d'un esquema experimental i les seves possibles aplicacions. El primer esquema presenta una demostració de prova de concepte d'una porta òptica que utilitza feixos de llum amb moment angular orbital. Inspirada en el protocol quantum fingerprinting, aquesta porta permet la comparació eficient de cadenes de dades sense necessitat de revelar la senyal. La porta es posa a prova comparant cadenes de bits, quarts i diferents fronts d'ona. El segon esquema presenta un protocol per avaluar la presència d'una forma espacial particular (o front d'ona) en una base de dades, mitjançant l'avaluació del grau de similitud entre la forma espacial desconeguda i tots els elements continguts a la base de dades. El protocol es posa a prova comparant la forma d'un disc retallat en una base de dades. El protocol s'estén al domini temporal, on les formes estan codificades en l'amplitud dels camps elèctrics. El tercer esquema és un enfocament innovador per realitzar Tomografia Coherent Òptica (OCT) amb un escaneig totalment no mecànic. Aprofitant els principis de la OCT de domini espectral i integrant un Modulador Espacial de Llum (SLM) en la configuració, s'aconsegueix un escaneig no mecànic del feix òptic d'il·luminació. Aquesta innovació elimina la necessitat d'escanejos transversals utilitzant plataformes mecàniques, la qual cosa podria impulsar l'augment de la grandària, pes i consum d'energia (SWaP, per les seves sigles en anglès) de futurs productes comercials. L'últim esquema és una versió quàntica del microscopi de Contrast d'Interferència Diferencial (DIC), aprofitant el notable efecte Hong-Ou-Mandel (HOM) per recuperar gradients de fase induïts per canvis en el gruix òptic. En aquest cas, s'aplica el coneixement de l'òptica quàntica a una tècnica de microscòpia. El treball presentat en aquesta tesi contribueix a la idea d'utilitzar protocols del món quàntic que podrien ser imitats en aplicacions clàssiques. (Español) Esta tesis de doctorado presenta una investigación en imágenes y detección óptica, explorando conceptos novedosos y diversas aplicaciones. Los esquemas experimentales propuestos aquí se basan en la simulación de aspectos específicos de conceptos cuánticos utilizando Óptica clásica. El último esquema toma la dirección opuesta. Empleando técnicas cuánticas, desarrolla la versión cuántica de un microscopio de Contraste de Interferencia Diferencial (DIC). La tesis se divide en varios capítulos, cada uno abordando aspectos distintos de un esquema experimental y sus posibles aplicaciones. El primer esquema presenta una demostración de prueba de concepto de una compuerta óptica que utiliza haces de luz con momento angular orbital. Inspirada en el protocolo quantum fingerprinting, esta compuerta permite la comparación eficiente de cadenas de datos sin necesidad de revelar la señal. La compuerta se prueba comparando cadenas de bits, cuartos y diferentes frentes de ondas. El segundo esquema presenta un protocolo para evaluar la presencia de una forma espacial particular (o frente de onda) en una base de datos, mediante la evaluación del grado de similitud entre la forma espacial desconocida y todos los elementos contenidos en la base de datos. El protocolo se prueba comparando la forma de un disco recortado en una base de datos. El protocolo se extiende al dominio temporal, donde las formas están codificadas en la amplitud de los campos eléctricos. El tercer esquema es un enfoque novedoso para realizar Tomografía de Coherencia Óptica (OCT) con un escaneo totalmente no mecánico. Aprovechando los principios de la OCT de dominio espectral e integrando un Modulador Espacial de Luz (SLM) en la configuración, se logra un escaneo no mecánico del haz óptico de iluminación. Esta innovación elimina la necesidad de escaneos transversales utilizando plataformas mecánicas, lo que podría impulsar el aumento del tamaño, peso y consumo de energía (SWaP, por sus siglas en ingles) de futuros productos comerciales. El último esquema es una versión cuántica del microscopio de Contraste de Interferencia Diferencial (DIC), aprovechando el notable efecto Hong-Ou-Mandel (HOM) para recuperar gradientes de fase inducidos por cambios en el grosor óptico. En este caso, se aplica el conocimiento de la óptica cuántica a una técnica de microscopía. El trabajo presentado en esta tesis contribuye a la idea de utilizar protocolos del mundo cuántico que podrían ser imitados en aplicaciones clásicas.
The work presented in this thesis, mostly experimental, is based on three main pillars: the concepts of entanglement, Bell¿s inequalities and coherence. Entanglement is a very special type of correlation that can exist between two systems, even if these systems are physically separated by a large distance. Bell¿s inequalities are a window to inquiry fundamental questions about how Nature works at its fundamental level, and it turns out that they can also become tools with practical relevance. Coherence is a fundamental trait of electromagnetic theory, in the classical as well as in the quantum regimes, and it is closely linked to the concept of entanglement. In this thesis we study different platforms aimed at generating entangled states. We control its properties, measure the quality of the entanglement and search for links with concepts such as coherence. In certain cases of practical interest, the generation of entanglement can become a great challenge due to technical difficulties of the experiments. From a fundamental point of view, the concept of entanglement still poses questions about what it really means and where it can manifest. In the different experiments presented in this thesis, we have generated different kinds of entanglement capable of being used in various environments. For instance, this is the case of the generation of polarization entangled paired photons at the telecom semiconductor Bragg reflection waveguide. This represents a significant step towards the realization of efficient and versatile sources of entangled photon pairs, that could be integrated in a microchip.In another experimental scheme we have proved, also by measuring the violation of the Clauser, Horne, Shimony and Holt (CHSH) Bell-like inequality, the generation of non-coherent and coherent correlations between different degrees of freedom of a single photon, finding a close analogy with the entanglement that can exist between two distant photons. These types of experiment can help in discussions aimed at illuminating what is the true meaning of entanglement. Lastly, in a third experiment we make use of frequency-entangled photons to demonstrate a new type of optical coherence tomography (OCT) scheme, where the reflectivity of the sample translates in a change of coherence. We call this new approach induced optical coherence tomography (iOCT). This new scheme allows probing the sample with one wavelength and measuring light with another wavelength. As a result, we can gain penetration depth into the sample by using longer wavelengths, while still using the optimum wavelength for detection. Finally, from a theoretical perspective, we study how coherence and correlations represent two related properties of a compound system. We derive an expression that determine the relationship between the degree of coherence of each subsystem, and the type and degree of the correlation present between the subsystems. We also demonstrate that the degree of violation of the CHSH inequality is the appropriate measure that quantifies how much correlations can be turned into coherence, and how much coherence can be extracted El treball presentat en aquesta tesi, majoritàriament experimental, es basa en tres pilars fonamentals: els conceptes d’entrellaçament, desigualtats de Bell i coherència. L’entrellaçament és un tipus molt especial de correlació que pot existir entre dos sistemes, fins i tot si aquests es troben físicament molt allunyats un de l’altre. Les desigualtats de Bell són una finestra que invita a preguntar-se com es comporta la Natura en el seu nivell més fonamental, com també es poden convertir en eines de gran rellevància pràctica. La coherència és una característica fonamental de la teoria electromagnètica, tant en l’àmbit clàssic com en el quàntic, i també compta amb una relació directa amb l’entrellaçament. En aquesta tesi estudiem diferents plataformes per poder generar estats entrellaçats. Per tant, poder controlar les seves propietats, mesurar la qualitat de l’entrellaçament i buscar connexions amb altres conceptes com ara la coherència. En alguns casos d’interès pràctic, la generació d’entrellaçament pot convertir-se en un gran repte a causa de les dificultats tecnològiques dels experiments. Des d’un punt de vista fonamental, el concepte d’entrellaçament per se encara porta a qüestionar-se quin és el seu significat realment i on es pot manifestar. En els diferents experiments presentats en aquesta tesi, hem generat diferents tipus d’entrellaçament capaços de ser implementats en varis entorns. Com per exemple, un dels casos seria el de la generació de parells entrellaçats en polarització per la banda de telecomunicació mitjançant les guies d’ona per reflexió Bragg formades d’un material semiconductor. Aquest avenç representa un pas important en vers a la realització de fonts de parells de fotons entrellaçats que siguin eficients i versàtils, i que a més puguin ser integrades en un microxip. Mitjançant un altre esquema experimental, mesurant també la violació d’una desigualtat de Bell, que en el nostre cas es tracta de la desigualtat de Clauser, Horne, Shimony i Holt (CHSH), hem demostrat la generació de correlacions no-coherents i coherents entre dos graus de llibertat d’un mateix fotó, trobant d’aquest forma una clara analogia amb l’entrellaçament que pot haver-hi entre dos fotons físicament allunyats. Aquests tipus d’experiments poden contribuir a esclarir el vertader significat de l’entrellaçament. Finalment, mitjançant l’ús de l’entrellaçament en freqüència, en el tercer experiment hem demostrat un nou tipus d’esquema de tomografia de coherència òptica (OCT), on la reflectivitat de la mostra representa un canvi de coherència. Nosaltres anomenem aquest nou enfoc com tomografia de coherència òptica induïda (iOCT). Aquest nou esquema permet analitzar la mostra amb una longitud d’ona i mesurar-ne l’efecte amb una altra. D’aquesta forma es pot aconseguir més profunditat de penetració al sondejar la mostra amb una longitud d’ona llarga, mentre es fa servir una altra longitud d’ona òptima per ser detectada. Per acabar, hem estudiat des d’un punt de vista teòric, com la coherència i les correlacions representen dos propietats relacionades dins d’un sistema compost. Derivem una expressió que determina la relació entre el grau de coherència de cada subsistema, i el tipus i grau de correlació present entre els subsistemes. Com també demostrem que el grau de violació de la desigualtat CHSH és la mesura apropiada que quantifica quanta correlació pot transformar-se en coherència, i quanta coherència pot ser extreta.
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.
(English) Photons and Information are notions indispensable for modern quantum technologies, and their interplay provides the foundation of understanding the quantum nature of light. In particular, photons are robust information carrier and substantiate the inherent discreteness of the electromagnetic radiation field. The information of photons, and their intrinsic quantum fluctuations, are manifested in the measurement of correlation functions of the field. Central to the understanding of photon fluctuations is the quantum theory of optical coherence, and the photon signature can reveal itself in different properties. Furthermore, the measurement of correlations is needed from an information theoretic perspective to distinguish classical from quantum signatures. These concepts ultimately lead to the original goal of the present Thesis: How can we understand the notion of photons and information in a modern strong field quantum optics perspective? Strong field quantum optics aims for the generation, characterization and the control of quantum light, beyond the conventional wisdom of strong field physics. In the traditional approach to strong field phenomena, in particular the photon up-conversion process of high-order harmonic generation, the field was merely treated classically. And hence, the notion of the photon could not exist in such descriptions. However, recent advances in the field of strong field quantum optics have revealed new signatures unaccountable by classical theory. This includes the generation of genuine non-classical states of light from strong field phenomena, revealing the intrinsic entanglement between all field modes in the process of high-order harmonic generation, or finding quantum signatures in the photon emission process itself via photon anti-bunching. In this Thesis, we reveal all such properties of the generated light field, and establish the underlying theories for the description of these phenomena. This includes the development of the quantum theory of optical coherence for high-order harmonic generation, as well as introducing new quantum information theoretic perspectives to strong field quantum optics. Therefore, the work presented in this Thesis provides the foundation for the modern formulation of quantum optical phenomena in strong field physics. (Català) Els fotons i la informació són nocions indispensables per a les tecnologies quàntiques modernes, i la seva interacció proporciona la base per entendre la naturalesa quàntica de la llum. En particular, els fotons són portadors d'informació robustos i fonamenten la discretització inherent del camp de radiació electromagnètica. La informació dels fotons, i les seves fluctuacions quàntiques intrínseques, es manifesten en la mesura de les funcions de correlació del camp. La teoria quàntica de la coherència òptica és fonamental per entendre les fluctuacions dels fotons, i la signatura dels fotons es pot revelar en diferents propietats. A més, la mesura de correlacions és necessària des d'una perspectiva teòrica de la informació per distingir les signatures clàssiques de les quàntiques. Aquests conceptes condueixen finalment a l'objectiu original de la present Tesi: Com podem entendre la noció de fotons i informació des d'una perspectiva moderna de l'òptica quàntica de camps forts? L'òptica quàntica de camps forts té com a objectiu la generació, la caracterització i el control de la llum quàntica, més enllà del coneixement convencional de la física de camps forts. En l'enfocament tradicional dels fenòmens de camps forts, en particular el procés de conversió ascendent de fotons de la generació d'harmònics d'alt ordre, el camp es tractava merament de manera clàssica. I, per tant, la noció de fotó no podia existir en aquestes descripcions. No obstant això, els avenços recents en el camp de l'òptica quàntica de camps forts han revelat noves signatures inexplicables amb la teoria clàssica. Això inclou la generació d'estats de llum genuïnament no clàssics a partir de fenòmens de camps forts, revelant l'entrellaçament intrínsec entre tots els modes de camp en el procés de generació d'harmònics d'alt ordre, o la troballa de signatures quàntiques en el mateix procés d'emissió de fotons mitjançant l'antigrupament de fotons. En aquesta tesi, revelem totes aquestes propietats del camp de llum generat i establim les teories subjacents per a la descripció d'aquests fenòmens. Això inclou el desenvolupament de la teoria quàntica de la coherència òptica per a la generació d'harmònics d'alt ordre, així com la introducció de noves perspectives de teoria de la informació quàntica a l'òptica quàntica de camps forts. Per tant, el treball presentat en aquesta tesi proporciona la base per a la formulació moderna dels fenòmens òptics quàntics en la física de camps forts. (Español) Los fotones y la información son conceptos indispensables para las tecnologías cuánticas modernas, y su mutua influencia proporciona la base para comprender la naturaleza cuántica de la luz. En particular, los fotones son portadores de información robustos y justifican la discreción inherente al campo electromagnética. La información de los fotones y sus fluctuaciones cuánticas intrínsecas se manifiestan en la medición de las funciones de correlación del campo. La teoría cuántica de la coherencia óptica es fundamental para comprender las fluctuaciones de los fotones, y la huella de los fotones puede manifestarse en diferentes propiedades. Además, la medición de las correlaciones es necesaria desde una perspectiva de la teoría de la información para distinguir entre firmas clásicas de las cuánticas. Estos conceptos conducen en última instancia al objetivo original de la presente tesis: ¿Cómo podemos entender el concepto de fotones e información desde la perspectiva moderna de la óptica cuántica de campos intensos? La óptica cuántica de campos intensos tiene como objetivo la generación, caracterización y control de la luz cuántica, más allá de los conocimientos convencionales de su análisis semiclásico. En el enfoque tradicional de los fenómenos de campo intenso, en concreto el proceso de el proceso de generación de fotones en armónicos de alto orden, el campo se trataba simplemente de forma clásica. En consequencia, la noción de fotón no podía existir en tales descripciones. Sin embargo, avances recientes en el campo de la óptica cuántica de campo fuerte han revelado nuevas características que no pueden explicarse mediante la teoría clásica. Entre ellas se incluyen la generación de estados de luz genuinamente no clásicos a partir de fenómenos de campo intenso, la evidencia del entrelazamiento intrínseco entre todos los modos del campo en el proceso de generación de armónicos de alto orden, o el hallazgo de características cuánticas en el propio proceso de emisión de fotones mediante antiagrupamiento. En esta tesis, revelamos todas estas propiedades del campo de luz generado y establecemos las teorías subyacentes para describir de estos fenómenos. Esto incluye el desarrollo de la teoría cuántica de la coherencia óptica para la generación de armónicos de alto orden, así como la introducción de nuevas perspectivas de la teoría de la información cuántica en la óptica cuántica de campos fuertes. Por lo tanto, el trabajo presentado en esta tesis proporciona la base para la formulación moderna de los fenómenos óptico cuánticos en la física de campos intensos.
Over the last few decades, quantised excitations of the electromagnetic field have proven to be an ideal system with which to investigate and harness quantum optical phenomena. The techniques developed have enabled fundamental tests of quantum mechanics as well as practical applications in quantum metrology and quantum information processing. Advancing to larger-scale entangled quantum systems will open up new regimes of quantum many-body physics, allowing us to probe the limits of quantum mechanics and enabling truly quantum-enhanced technologies. However, moving towards this goal will require further experimental and theoretical innovations. The work described in this thesis focuses on several different aspects of optical quantum information, but are ultimately all linked by this long-term aim. The first part of this thesis describes a novel method for strain-based active control of quantum optical circuits and a new method for the characterisation of high efficiency detectors. Building on this, I discuss in detail two different fields of quantum optics that stand to benefit from these techniques. I initially consider quantum-enhanced metrology, including work aimed towards demonstrating a truly better-than-classical phase measurement, and a theoretical exploration of multiple-phase estimation. Finally, I focus on linear-optical quantum information processing, exploring in detail the use of time-frequency encodings for quantum computing.
(English) This thesis, mostly experimental, is based on two fundamental pillars: nonlinear interferometers and Optical Coherence Tomography (OCT). Nonlinear interferometers are a class of interferometers that exhibit nonclassical phenomena brought on by nonlinear elements, such as optical parametric amplifiers and parametric down-conversion (PDC) nonlinear crystals. OCT is a non-invasive imaging technique that allows to obtain images with high axial and cross-sectional resolution of a wide variety of samples. The first novel contribution of this thesis is an experimental scheme that combines the two ideas: an OCT scheme based on a nonlinear interferometer. In these new approach the reflectivity of the sample translates in a loss of first-order coherence between two beams, that is the variable that is measured. In addition, it allows probing the sample with a wavelength different from the one that is measured. In this way, the penetration depth in the sample can be enhanced using longer wavelengths while using light at the optimal wavelength for detection. We present and implement two different experimental configurations. The first is a nonlinear interferometer based on induced coherence, or Mandel-type interferometer, that works in the low parametric gain regime of parametric down-conversion (PDC). The results presented here are a proof-of-concept, that can potentially offer new applications for OCT, but that are not meant to substitute traditional OCT systems. The second OCT scheme overcomes some of the limitations of the first scheme discussed above. It is an SU(1,1), or Yurke-type interferometer, that operates in the high parametric gain regime of parametric down-conversion. In addition to taking advantage of the salutary features of this new approach, it also enables obtaining values of power and axial resolution comparable to those of conventional OCT. The second novel contribution of this thesis is related to fundamental aspects at the heart of nonlinear interferometers. We discuss two experiments that study two important concepts behind the idea of induced coherence: quantum distinguishability and parametric amplification (stimulated emission). In the first experiment we propose a new experimental measure of quantum distinguishability and derive a complementarity relation between distinguishability and first-order coherence. In the second experiment, we contribute to the ongoing debate about the true role of quantum distinguishability and stimulated emission in explaining the induced coherence effect. Finally, we put forward theoretically a new scheme to retrieve transverse spatial information of a sample using a nonlinear interferometer, based on projecting the outgoing photons in selected spatial modes. We call this new proposal spatial spectroscopy, and it does not require a physical mechanical scan of the sample. We demonstrate the feasibility of the technique with a simple example. This last contribution constitutes a future proposal to be carried out with nonlinear interferometers, evidencing their great versatility and potential applications in new areas. (Català) Aquesta tesi, majoritàriament experimental, està basada en dos pilars fonamentals: els interferòmetres nolineals i la Tomografia de Coherència Òptica (OCT). Els interferòmetres nolineals són un tipus d'interferòmetres en els que tenen lloc fenòmens no-clàssics generats per la presència d'elements nolineals, com amplificadors òptics paramètrics i cristalls de conversió paramètrica descendent. OCT és una tècnica interferomètrica no-invasiva per obtenir imatges 3D amb alta resolució axial d'una gran varietat de mostres. La primera contribució original d'aquesta tesi és un esquema experimental que combina dues idees: un esquema d'OCT basat en un interferòmetre nolineal. En aquesta nova proposta, la reflectivitat de la mostra es tradueix en una pèrdua de coherència entre dos feixos de llum, que és la quantitat mesurada. A més a més, permet il·luminar la mostra amb una longitud d'ona diferent a la mesurada. D'aquesta manera, podem guanyar penetració a la mostra mentre utilitzem llum a la longitud d'ona òptima per la detecció. En aquest sentit, presentem i implementem dues configuracions experimentals diferents. La primera es tracta d'un interferòmetre nolineal basat en el concepte de coherència induïda, o també anomenat interferòmetre de Mandel, que opera en el règim de baix guany de conversió paramètrica descendent. Els resultats presentats constitueixen una prova del principi de funcionament, que poden suposar noves aplicacions per OCT, però no estan enfocats a substituir els sistemes convencionals d'OCT. El segon esquema d'OCT que proposem millora algunes de les limitacions de l'anterior proposta. Es tracta d'un SU(1,1), o interferòmetre de Yurke, que opera en el règim d'alt guany de conversió paramètrica descendent. A més d'aprofitar les característiques beneficioses d'aquests nous esquemes, també permet obtenir valors de potència i resolució axial comparables als dels sistemes d'OCT tradicionals. La segona contribució original d'aquesta tesi està relacionada amb aspectes fonamentals que estan rere els interferòmetres nolineals. Presentem dos experiments que estudien dos conceptes importants que expliquen la idea de coherència induïda: la distingibilitat quàntica i l'amplificació paramètrica (o emissió estimulada). En el primer experiment proposem una nova mesura de la distingibilitat quàntica i derivem una relació entre la distingibilitat i la coherència. En el segon experiment, contribuïm al debat vigent sobre el rol de la distingibilitat quàntica i l'emissió estimulada per explicar el concepte de la coherència induïda. Finalment, presentem les bases teòriques d'un nou esquema per obtenir informació espacial d'una mostra utilitzant un interferòmetre nolineal, basat en la projecció dels fotons en uns modes espacials de llum concrets. Anomenen aquesta nova proposta espectroscòpia espacial, i no requereix un escaneig físic-mecànic de la mostra. Demostrem la viabilitat de la tècnica amb un exemple senzill. Aquesta última contribució constitueix una proposta de futur a realitzar amb els interferòmetres nolineals, evidenciant la seva gran versatilitat i potencials aplicaciones en noves àrees.
This thesis is a dissemination of the experimental work I have carried out in the last three and a half years, under supervision of Prof. Miles Padgett and Dr. Sonja Franke-Arnold. Presented within are seven unique experiments investigating the orbital angular momentum (OAM) states of light, and the associated spatial modes. Six of these experiments relate to measurements on quantum-entangled photon pairs produced in down-conversion. The first chapter of my thesis is a brief review of the some of the contributions made to the field of research of OAM, both involving classical and quantum states of light. This chapter introduces some of the hallmark experiments within the subject, from which my experimental work reported in this thesis is inspired. The second chapter details the set up of the down conversion experiment, and the experimental techniques used to design a fully functioning quantum measurement system. Most importantly, this includes the holographic techniques used to measure the spatial states of the photon pairs. In addition to holographic measurements, a system to holographically auto-align the down-conversion experiment was developed. Due to the sensitive nature of the experiments presented, this automated system has been crucial to the success of all of the single photon experiments presented within this document. The experimental results are split into three separate categories. The first (Chapter 3) describes measurements investigating the Fourier relationship between OAM and angular position states, both at the classical and quantum levels. The following chapter (Chapter 4) consists of four experiments designed to quantify the degree of entanglement of states of OAM and angular position. This includes the first demonstration of the historic EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) paradox for OAM and angle states, violation of a Bell-type inequality for arbitrary OAM states, and characterisation of the density matrices for a range of OAM state-spaces. The final chapter (Chapter 5) reports a new type of ghost imaging using down-converted photon pairs. In this experiment, we violate a Bell inequality within a ghost image, demonstrating the entangled nature of our system and contributing a new element to the long standing contention over quantum vs. classical features within ghost imaging. These experiments have seen a wide range of collaboration. The experimental work on the Fourier relation on single photons was carried out in collaboration with Dr. Anand Kumar Jha (University of Rochester). The work on ghost imaging was performed with collaboration with Prof. Monika Ritsch-Marte (Innsbruck Medical University), and the angular EPR paradox work was carried out in collaboration with Prof. Robert Boyd (Univ. of Rochester) and Prof. David Ireland (Univ. of Glasgow). The work I present here is experimental, however any theoretical developments are in a large part due to the support of Dr. Sonja Franke-Arnold and Prof. Steve Barnett (Univ. of Strathclyde).