[pt] Experimentos de optomecânica levitada se aproximam cada vez mais do regime quântico. Nesta tese, exploramos o acoplamento extrínseco de nanopartículas levitadas em pinças ópticas em vácuo com não-linearidades induzidas por controle óptico e elétrico. Além disso, apresentamos uma técnica para preparação de estados não-Gaussianos do movimento do centro de massa de tais partículas, utilizando tanto modulação paramétrica quanto a não-linearidade intrínseca do potencial óptico. Adicionalmente, um modelo quântico para detecção óptica com campos de luz estruturados é desenvolvido, permitindo a análise de uma proposta de experimento projetada para minimizar e controlar perturbações devido à medida de posição. Tais avanços abrem caminho para o controle refinado e manipulação de estados quânticos em sistemas levitados no futuro próximo.
[pt] Experimentos de optomecânica levitada se aproximam cada vez mais do regime quântico. Nesta tese, exploramos o acoplamento extrínseco de nanopartículas levitadas em pinças ópticas em vácuo com não-linearidades induzidas por controle óptico e elétrico. Além disso, apresentamos uma técnica para preparação de estados não-Gaussianos do movimento do centro de massa de tais partículas, utilizando tanto modulação paramétrica quanto a não-linearidade intrínseca do potencial óptico. Adicionalmente, um modelo quântico para detecção óptica com campos de luz estruturados é desenvolvido, permitindo a análise de uma proposta de experimento projetada para minimizar e controlar perturbações devido à medida de posição. Tais avanços abrem caminho para o controle refinado e manipulação de estados quânticos em sistemas levitados no futuro próximo.
A interação entre luz e matéria em sistemas quânticos abertos atraiu uma atenção significativa nas últimas décadas devido à sua importância no desenvolvimento de tecnologias quânticas emergentes, como a computação quântica e as comunicações ópticas. Nesse contexto, sistemas de microcavidades acoplados a pontos quânticos e nanostruturas têm sido objeto de extensos estudos teóricos e experimentais devido à sua capacidade de controlar e manipular fenômenos quânticos fundamentais. Este trabalho reúne três estudos de pesquisa que, embora abordem diferentes aspectos das interações luz-matéria, compartilham um interesse comum em explorar os efeitos do bombeio incoerente e dos processos de decoerência nas propriedades ópticas de sistemas quânticos abertos. O primeiro estudo foca no efeito do bombeio incoerente de excitons sobre a retificação óptica de uma nanostrutura que interage com um campo óptico clássico monocromático. Usando uma equação mestra de Born-Markov na forma de Lindblad, a emissão espontânea, o desfasamento e o bombeio incoerente são incluídos na análise. Uma expressão analítica é derivada para descrever a retificação óptica em função da taxa de bombeio incoerente, mostrando como o sistema transita entre os regimes de bombeio fraco e forte. O segundo trabalho examina o comportamento do espectro de fotoluminescência de um ponto quântico dentro de uma microcavidade semicondutora, sob a influência de um campo magnético externo. O sistema é modelado numericamente usando uma equação mestra na forma de Lindblad para capturar os efeitos da emissão espontânea, das perdas através dos espelhos da cavidade e do defasamento. Este trabalho revela a transição do regime de acoplamento forte para o regime da emissão desacoplada à medida que o campo magnético aumenta, com a linha σ− no espectro desacoplando-se mais rapidamente. O terceiro estudo investiga teoricamente os espectros de potência em um sistema de microcavidade-ponto quântico sob bombeio incoerente de fótons e excitons. Dois modelos diferentes são examinados, relacionando as taxas de perdas da cavidade e o bombeio, e são analisadas as transições entre os regimes de acoplamento forte e fraco em diferentes intensidades de bombeio. Apesar das diferenças entre os modelos, ambos preveem uma sequência de transições entre acoplamento fraco e forte à medida que o bombeio aumenta, um fenômeno que ainda não foi observado experimentalmente. Embora esses três trabalhos abordem diferentes aspectos e sistemas quânticos, todos compartilham o objetivo comum de entender como o bombeio incoerente e os processos de decoerência afetam as propriedades ópticas e os regimes de acoplamento de sistemas quânticos abertos. Esses estudos não apenas fornecem novos insights teóricos, mas também oferecem previsões que podem orientar futuros experimentos no campo da óptica quântica e das nanocavidades.
Nesta tese estudamos o controle da biestabilidade óptica absortiva em uma cavidade linear contendo uma coleção de átomos de dois e três níveis não interagentes fracamente acoplados a um único modo do campo. Mostramos que o controle para a configuração atômica de três níveis ocorre apenas nas condições de aprisionamento coerente de população e que o mesmo é sensível à coerência atômica induzida no sistema podendo ser manipulado através de diferentes parâmetros. Propomos algumas aplicações apresentando um efeito novo, o qual denominamos de biestabilidade óptica complementar, muito interessante para explorar dispositivos ópticos biestáveis com funções de cascatabilidade, como um transistor óptico. Estudamos também o controle óptico das flutuações do campo de prova pela combinação do fenômeno de transparência eletromagneticamente induzida para um único átomo no regime de acoplamento forte em eletrodinâmica quântica de cavidades. Especificamente, o campo de controle é utilizado para ajustar as frequências de transição dos estados vestidos ressonantemente ou quase ressonantemente com o campo de prova do sistema. Desta forma, efeitos de bloqueio de um e dois fótons e anti-bloqueio são observados produzindo campos sub- e super-Poissonianos, respectivamente. O controle quântico obtido pode ser promissor para a realização de um protótipo de um transistor quântico que amplifica e atenua flutuações quânticas do campo transmitido pelo sistema. A viabilidade desse dispositivo é demonstrada através de cálculos utilizando parâmetros de experimentos recentes.
A perspectiva de simular fenomenos quânticos de sistemas de muitos corpos em cavidades
opticas acopladas tem atraido bastante interesse nos ultimos anos. O alto
grau de controle experimental e a natureza hibrida das particulas envolvidas, denominada
polaritons, fornecem uma nova direcao no estudo de sistemas fortemente
correlacionados envolvendo interacao entre luz e materia. Alem disso, redes de cavidades
sao plataformas promissoras para processamento de informacao quântica
em redes quânticas. Esta tese e constituida por dois estudos em redes de cavidades
acopladas descritas pelo modelo Jaynes-Cummings-Hubbard. Em particular,
desenvolvemos protocolos de transferencia e controle de estados quânticos em duas
estruturas distintas. No primeiro estudo, consideramos uma cadeia unidimensional
de cavidades com um padrao alternado de acoplamento entre as cavidades, cada
uma interagindo com um atomo. Neste cenario, um par de modos normais do campo
eletromagnetico torna-se fortemente localizado nas extremidades da cadeia. Dessa
forma, uma vasta estrutura de regimes dinâmicos pode ser manipulada dependendo
da ressonância entre os modos normais atomicos e do campo. Mostramos como
isso pode ser utilizado para realizar protocolos de transferencia de estado quântico
envolvendo estados fotonicos, atomicos ou hibridos, com alta fidelidade. Tambem
discutimos como reduzir o tempo de transmissao de estados, sem comprometer sua
eficiencia, particionando a cadeia em modulos. Em seguida, exploramos a dinâmica
de excitacoes atomicas e fotonicas em uma rede complexa de Apolonio considerando
diversos regimes de interacao. Mostramos que o espectro de modos normais induzido
por este tipo de rede tambem oferece diversas alternativas no controle da dinâmica
do sistema. Alem disso, a natureza complexa da rede de Apolonio induz uma dinâmica
de propagacao nao-trivial que depende do grau de conexao entre os sitios,
podendo ser assim aplicada para conectar diferentes usuarios de uma rede quântica.
Nossos resultados contribuem para o desenvolvimento de protocolos de comunicacao
em redes quânticas utilizando dispositivos de interface luz-materia, abrindo assim
caminho para o processamento de informacao quântica em larga escala.
Propomos um esquema inovador para o teletransporte em variáveis contínuas usando um OPO, oscilador paramétrico ótico, como fonte de estados emaranhados e desenvolvemos a instrumentação necessária para implementá-lo. O OPO é utilizado em um regime de operação onde dois feixes de comprimentos de onda distintos são produzidos, o que permitirá que o estado de uma dada cor seja aniquilado e que sua recriação seja em uma cor diferente. A realização dessa proposta permite teletransportar estados quânticos da luz entre cores distintas do espectro eletromagnético. Devido a sintonizabilidade do OPO, será possível a comunicação quântica entre diferentes tipos de sistemas que servirão como elementos de processamento na manipulação da informação quântica. A fidelidade deste processo é tanto maior quanto maior for o emaranhamento do par empregado, dessa forma, o maior desafio para a realização do teletransporte é justamente a construção de um canal quântico com o maior nível de emaranhamento possível experimentalmente. Várias tentativas de construção do canal quântico foram feitas, porém nenhuma delas apresentou-se, até o momento, adequada para a realização com sucesso do protocolo. Em uma das tentativas, um OPO duplamente ressonante, alcançou-se uma compressão de ruído de intensidade, nunca antes medida na história do nosso laboratório, porém o excesso de ruído de fase medido, originado do laser, degradou o emaranhamento, impossibilitando o prosseguimento da montagem. Atualmente, estamos investindo em um OPO triplamente ressonante como provável canal quântico do nosso protocolo. Medidas preliminares de emaranhamento desse novo OPO foram realizadas, entretanto ainda não se mostrou suficiente para o teletransporte.
A interação luz-matéria é uma ferramenta usada para conectar, emaranhar, sondar e manipular sistemas quânticos. Para potencializar novas tecnologias quânticas, é necessário criar estados emaranhados, onde suas correlações exclusivas podem ser exploradas para obter vantagens que não são permitidas na física clássica. Além disso, diferentes sistemas precisam interagir uns com os outros para alavancar seus pontos fortes na execução de tarefas específicas. Naturalmente, enfrentamos o desafio de criar emaranhamento entre diferentes faixas do espectro eletromagnético para construir hardware quântico que não se limite a um sistema específico com uma porta de entrada/saída. Nesta tese, exploramos o Oscilador Paramétrico Ótico (OPO) como uma fonte de estados emaranhados multicor. O OPO é um dispositivo óptico não linear comumente usado em óptica quântica; no entanto, devido à complexidade envolvida na medição de correlações quânticas entre cores diferentes, a abordagem usual concentrase em uma operação de estado monocromático. Estudamos duas condições onde o uso de emaranhamento multicor é um recurso promissor: - Emaranhamento de duas cores para redução de ruído quântico em interferômetros detectores de ondas gravitacionais (GWD), conforme requerido na proposta [1]. Gerando estados de vácuo emaranhados em 1064 nm e 852 nm com bandas laterais até frequências de áudio, o OPO fornece a conexão entre o interferômetro e um conjunto de átomos de césio. Neste protocolo, um referencial de massa negativa formado pelo conjunto de spin atômico é usado para remover o ruído quântico no sinal de onda gravitacional medido. - Emaranhamento de três cores para uma rede quântica entre átomos de rubídio e fotônica de silício. Novas tecnologias para alcançar escalabilidade precisam ser miniaturizadas e este projeto direciona redes quânticas para o reino da fotônica de silício. Obtendo o emaranhamento entre comprimentos de onda compatíveis com átomos de rubídio (linha D1 795 nm) e tecnologia CMOS (1608 nm), buscamos a ideia de realizar protocolos de teletransporte quântico em chip. Como resultado da primeira meta, violamos os critérios de separabilidade: Var [X-] + Var [Y+] = 0,32 < 2, até 350 kHz. Até onde sabemos, corresponde ao mais alto emaranhamento de cores distintas medido em variáveis contínuas. Este é o primeiro passo para a implementação de um link entre um GWD e um conjunto atômico. Usando esse resultado, os cálculos mostram que um ganho de sensibilidade de 6 dB pode ser alcançado. Em relação ao segundo objetivo, obtemos os parâmetros clássicos do OPO. Para a operação acima do limiar de oscilação, o ruído de fase que depende da temperatura e da potência intracavidade deteriora o emaranhamento de três cores. Mitigamos essas contribuições obtendo casamento de fase para 795 nm e 1608 nm na temperatura -43C e um limiar de oscilação de 5 mW. Esses resultados prometem resolver problemas técnicos de longa data que estavam limitando trabalhos anteriores de nosso grupo para alcançar uma interface quântica átomo-luz.
Sistemas quânticos abertos têm sido alvos de diversos estudos teóricos e experimentais ao longo dos últimos anos. Em especial, pesquisas relacionadas a não Markovianidade e como ela influencia a dinâmica do sistema se tornaram relativamente importantes, pois desta forma pode-se ter o retorno das características quânticas iniciais presentes no sistema. Nesta tese foram desenvolvidos dois trabalhos relacionados acerca da influência da não Markovianidade em sistemas quânticos abertos. No primeiro, foi utilizado um sistema de um q-bit em contato com um reservatório bosônico e também sob a influência de um bombeio estocástico clássico, gerando assim um acoplamento efetivo do sistema com o ruído estocástico e o reservatório térmico. Desta forma, foi investigado como a dinâmica do qbit é modificada através da produção de não Markovianidade no sistema devido ao acoplamento efetivo e também como a energia média do sistema, com e sem o bombeio, se comporta tanto no regime Markoviano como não Markoviano. Adicionalmente, foi realizada uma análise da produção de não Markovianidade utilizando os ruídos estocásticos exponencial, Gaussiano e lei de potência. Aplicando a medida de Andersson, Cresser, Hall e Li (ACHL), foi possível fazer um comparativo do quanto de não Markovianidade foi produzida para cada ruído estocástico utilizado. No segundo trabalho, foi realizado um estudo de como é possível gerar a transição entre os regimes Markoviano e a não Markovianos por meio do controle de tempo de relaxação spin-rede de um qbit auxiliar, que atua como um ambiente. A decoerência do sistema foi simulada através da formulação de canais quânticos. Além disso, foi discutido como o mecanismo de relaxação é modificado pela ação de um campo magnético externo. Por fim, é apresentada uma demonstração experimental do modelo e sua comparação dos dados experimentais com os simulados teoricamente.