(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.
(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.
(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.
Optical coherence tomography (OCT) is a 3D imaging technique that was introduced in 1991 [Science 254, 1178 (1991); Applied Optics 31, 919 (1992)]. Since 2018 there has been growing interest in a new type of OCT scheme based on the use of so-called nonlinear interferometers, interferometers that contain optical parametric amplifiers. Some of these OCT schemes are based on the idea of induced coherence [Physical Review A 97, 023824 (2018)], while others make use of an SU(1,1) interferometer [Quantum Science and Technology 3 025008 (2018)]. What are the differences and similarities between the output signals measured in standard OCT and in these new OCT schemes? Are there any differences between OCT schemes based on induced coherence and on an SU(1,1) interferometer? Differences can unveil potential advantages of OCT based on nonlinear interferometers when compared with conventional OCT schemes. Similarities might benefit the schemes based on nonlinear interferometers from the wealth of research and technology related to conventional OCT schemes. In all cases we will consider the scheme where the optical sectioning of the sample is obtained by measuring the output signal spectrum (spectral, or Fourier-domain OCT), since it shows better performance in terms of speed and sensitivity than its counterpart time-domain OCT.
We demonstrate optical coherence tomography based on an SU(1,1) nonlinear interferometer with high-gain parametric down-conversion. For imaging and sensing applications, this scheme promises to outperform previous experiments working at low parametric gain, since higher photon fluxes provide lower integration times for obtaining high-quality images. In this way one can avoid using single-photon detectors or CCD cameras with very high sensitivities, and standard spectrometers can be used instead. Other advantages are: higher sensitivity to small loss and amplification before detection, so that the detected light power considerably exceeds the probing one.
We demonstrate optical coherence tomography based on an SU(1,1) nonlinear interferometer with high-gain parametric downconversion. For imaging and sensing applications, this scheme promises to outperform previous experiments working at low parametric gain, since higher photon fluxes provide lower integration times for obtaining high-quality images. In this way, one can avoid using single-photon detectors or CCD cameras with very high sensitivities, and standard spectrometers can be used instead. Other advantages are higher sensitivity to small loss and amplification before detection so that the detected light power considerably exceeds the probing one.
El naixement de la Mecanica Quantica va proporcionar el marc teoric que permetia poder explicar fenomens previament observats experimentalment, com ara la radiacio del cos negre, l'efecte fotoelectric o les linies espectrals de gasos atomics, i tambe va permetre entendre millor aspectes fonamentals relacionats amb la dualitat ona-particula i la interaccio entre radiacio i materia. La Mecanica Quantica ha estat tambe l'origen de disciplines mes especifiques com l'Optica Quantica o la Informacio Quantica, les quals s’ocupen parcialment del que es coneix com Enginyeria Quantica. En aquest context, s'han proposat processos de passatge adiabatic, que consisteixen en el seguiment adiabatic d'un estat propi del sistema, i que permeten un control molt robust i eficient de la transferencia de poblacio entre dos estats assimptotics. Com molts altres processos en Mecanica Quantica, els processos de passatge adiabatic son purament oscil•latoris i poden ser considerats en altres sistemes fisics no quantics que suportin quantitats oscil•lants. En aquesta tesi, s'analitzen processos de passatge adiabatic en diferents sistemes fisics per a controlar la propagacio de llum, so i ones de materia en sistemes de guies acoblades, i la transferencia d'atoms freds individuals en trampes de potencial harmoniques. Adicionalment, utilitzem la robustesa i l'alta eficiencia del passatge adiabatic per proposar nous dispositius i discutir noves implementacions en aquests diversos camps. Especificament, demostrem experimentalment el passatge espacial adiabatic de llum en un sistema de tres guies TIR d'oxid de silici compatibles-CMOS acoblades mitjancant el camp evanescent, que consisteix en una transferencia completa d'intensitat de llum entre les guies externes del sistema. L'avantatge d'usar el passatge espacial adiabatic respecte els acobladors direccionals estandard es que la transferencia de llum es robusta enfront de fluctuacions tecnologiques i no depen de valors precisos dels parametres. Aquest es el primer dispositiu de passatge espacial adiabatic per llum fabricat amb tecnologia compatible-CMOS, el que permet una integracio massiva i de baix cost. A mes, tambe demostrem experimentalment que aquest sistema de guies es comporta simultaniament com a filtre passa alts i passa baixos, amb unes caracteristiques que el fan una alternativa a altres tipus de filtres integrables com filtres basats en interferencia o en absorcio. Adicionalment, adrecem el passatge espacial adiabatic d'ones sonores en sistemes de dos defectes lineals acoblats en cristalls sonics. Calculant els diagrames de bandes per analitzar els supermodes del sistema disponibles i modificant apropiadament la geometria dels defectes lineals al llarg de la propagacio, dissenyem dispositius que funcionen com a divisors i acobladors adiabatics mutifrequencia i com a analitzadors de diferencia de fase. Tambe, proposem un metode per injectar, extreure i filtrar en velocitat atoms neutres en trampes en forma d'anell mitjancant el passatge espacial adiabatic utilitzant dues guies addicionals. La proposta es basa en el seguiment adiabatic d’un estat propi transversal del sistema. Realitzem calculs semianalitics que encaixen perfectament amb els resultats de simulacions numeriques de l'equacio de Schrodinger. Tambe mostrem que la nostra proposta podria ser implementada experimentalment utilitzant parametres realistes d'atoms ultrafreds en potencials optics dipolars. Finalment, estudiem el passatge adiabatic d'un atom fred individual en un triple pou de potencial bidimensional, anant mes enlla dels sistemes coneguts, que son de manera efectiva unidimensionals i estudiant les possibilitats que sorgeixen dels graus de llibertat addicionals. D'una banda, un sistema de tres pous de potencial amb les trampes en una geometria triangular es proposa per a interferometria d'ones de materia, aprofitant un creuament de nivells que apareix en l'espectre d'energia. D'altra banda, es genera moment angular satisfactoriament en una configuracio similar on les trampes tenen frequencies d'atrapament diferents, seguint simultaniament dos estats propis del sistema.