A pesquisa em comunicação óptica por meio de links atmosféricos enfrenta uma série de desafios na busca por uma implementação confiável. A luz clássica coerente, como um feixe de laser propagando-se pela atmosfera por exemplo, sofre um impacto significativo na qualidade do sinal devido à turbulência atmosférica. Embora existam várias técnicas de comunicação para mitigar o desvanecimento do sinal na luz clássica, qualquer uma dessas técnicas não elimina completamente os efeitos indesejados. Assim, vale a pena desenvolver novas maneiras para suavizar ainda mais as perturbações induzidas pela turbulência. Neste trabalho, estudamos um arranjo experimental para mitigar as flutuações de sinal induzidas pela turbulência, ou seja, o desvanecimento do sinal, em feixes de fótons emaranhados, o que nos leva a uma comunicação mais estável. Estados quânticos de fótons gêmeos, espontaneamente produzidos por conversão paramétrica, foram usados para demonstrar experimentalmente que uma inversão das coordenadas transversais do feixe de correlação é suficiente para eliminar parcialmente as perdas de sinal causadas pelo fluxo turbulento de ar. Além disso, mostramos que não apenas uma inversão de coordenadas mitiga os efeitos de turbulência, mas também elimina completamente a aberração da inclinação da frente de onda. Nossa avaliação revela que a comunicação óptica através de canais atmosféricos pode se beneficiar do uso de estados quânticos para luz.
A pesquisa em comunicação óptica por meio de links atmosféricos enfrenta uma série de desafios na busca por uma implementação confiável. A luz clássica coerente, como um feixe de laser propagando-se pela atmosfera por exemplo, sofre um impacto significativo na qualidade do sinal devido à turbulência atmosférica. Embora existam várias técnicas de comunicação para mitigar o desvanecimento do sinal na luz clássica, qualquer uma dessas técnicas não elimina completamente os efeitos indesejados. Assim, vale a pena desenvolver novas maneiras para suavizar ainda mais as perturbações induzidas pela turbulência. Neste trabalho, estudamos um arranjo experimental para mitigar as flutuações de sinal induzidas pela turbulência, ou seja, o desvanecimento do sinal, em feixes de fótons emaranhados, o que nos leva a uma comunicação mais estável. Estados quânticos de fótons gêmeos, espontaneamente produzidos por conversão paramétrica, foram usados para demonstrar experimentalmente que uma inversão das coordenadas transversais do feixe de correlação é suficiente para eliminar parcialmente as perdas de sinal causadas pelo fluxo turbulento de ar. Além disso, mostramos que não apenas uma inversão de coordenadas mitiga os efeitos de turbulência, mas também elimina completamente a aberração da inclinação da frente de onda. Nossa avaliação revela que a comunicação óptica através de canais atmosféricos pode se beneficiar do uso de estados quânticos para luz.
Nesta tese, inicialmente apresentamos um experimento para a geração de estados emaranhados de sistemas quânticos D-dimensionais, qudits, explorando a correlação transversal dos fótons gerados no processo da conversão paramétrica. Aberturas com D-fendas, colocadas ao longo dos braços dos fótons gêmeos, definem o espaço de Hilbert destes qudits. Devido a uma manipulação adequada do perfil transversal do feixe do laser, os fótons gêmeos irão passar somente através de fendas simetricamente opostas, gerando estados emaranhados entre os diferentes caminhos possíveis para a transmissão do par através destas aberturas. Resultados experimentais para qudits com D = 4 e 8 são mostrados. Nós demonstramos também que a correlação entre os qudits gerados é quântica. Em seguida, mostramos que estes estados de qudits podem ser propagados. Sua distribuição ao longo do espaço livre foi realizada em nosso laboratório e os estados propagados mantiveram uma fidelidade muito alta quando comparados com a sua forma original. Estudos sobre a propagação de estados de qudits são importantes porque seu uso permite um aumento na quantidade da informação que pode ser transmitida por par compartilhado e pode também garantir mais privacidade para as partes que se comunicam. No terceiro trabalho descrito nesta tese, demonstramos como uma pequena modificação do esquema adotado nos trabalhos anteriores, pode ser usada para se gerar estados mistos de qudits. Investigamos, também, a discriminação dos estado quânticos de sistemas compostos de dois qubits espaciais, motivados pelo fato de que os protocolos de Informação Quântica podem ser mais fáceis de serem implementados neste caso. Por meio de operações locais nos fótons gêmeos, realizamos o processo da tomografia quântica para reconstruir a matriz densidade de um estado misto de dois qubits espaciais. As matrizes densidade reconstruídas são úteis porque quantidades tais como a entropia e a concurrência de um sistema quântico, podem ser calculadas a partir delas. E em nosso último trabalho, depois de ter tido demonstrado a geração de estados puros e mistos de qudits espaciais, a sua propagação através do espaço livre e sua reconstrução através de técnica da tomografia quântica, mostramos que este tipo de estado espacial pode ser usado na prática, para se fazer um teste das desigualdades da Bell.
Padrões de speckles são distribuições de intensidade de luz, formados a partir da interação entre uma fonte de luz coerente e uma superfície (ou meio) irregular, que resulta em uma distribuição de vetores de onda com fases aleatórias. Desta forma, como a aleatoriedade tem um papel relevante na formação de padrões de speckles, sua caracterização, bem como a análise de diversos fenômenos ópticos excitados a partir deles, são estudados fazendo uso de ferramentas de análises estatísticas. Entre as ferramentas mais importantes, as funções de correlação de intensidade e a distribuição de probabilidade de intensidade fornecem informações indiretas sobre a coerência da fonte de excitação, o grau de espalhamento (ou aleatoriedade) do meio rugoso, além das propriedades ópticas do meio onde a radiação se propaga. Nesta dissertação são estudadas as mudanças que a estatística dos padrões de speckles sofrem quando se propagam em meios não lineares autodesfocalizadores, com a influência de diversos processos de absorção não linear. Para isto, foi utilizado o corante LDS722 diluído em etanol, como meio não linear, que, ao ser excitado com diferentes intensidades, apresenta os efeitos de absorção saturada de 1 fóton; absorção de 2 fótons; e absorção saturada de 2 fótons. Esses diferentes efeitos foram caracterizados através da técnica de Varredura Z. Para que a propagação não linear dos padrões de speckles seja submetido a influência de um (ou mais de um) efeito dissipativo (simultâneamente) foram gerados três padrões diferentes, com envoltórias de intensidade: (i) Gaussiano, (ii) super-Gaussiano e (iii) top-hat. Desta forma, observou-se que durante a propagação, se o padrão de speckles é afetado apenas por um único processo de absorção não linear, com envoltória de intensidade top-hat, suas propriedades estatísticas apresentam comportamentos diferentes aos padrões afetados por mais de um efeito de absorção não linear em simultâneo, com envoltórias de intensidade Gaussiano e super-Gaussiano. Os estudos realizados nesta dissertação apresentam, pela primeira vez na literatura, resultados sobre a influência dos diversos efeitos de absorção não linear sobre a propagação de padrões de speckles. Além disso, ao monitorar as mudanças nas propriedades estatísticas que os padrões de speckles sofrem ao longo da sua propagação, foi possível propor uma nova metodologia para analisar o efeito de autodeflexão induzido pela modulação do índice de refração não linear. Desta forma propomos o uso de padrões de speckles para a caracterização da resposta óptica não linear de diversos materiais.
Estudamos os padrões de interferência obtidos experimentalmente em eletrodinâmica quântica de cavidades de baixa finesse alimentada por um campo não clássico gerado no processo espontâneo de conversão paramétrica descendente. Inicialmente, investigamos as interferências geradas por um interferômetro de Hong, Ou e Mandel modificado por uma cavidade simétrica colocada em um dos seus braços. No regime em que o comprimento da cavidade L é maior que o comprimento de coerência do pacote de um dos fótons do par lcoh, efeitos de coalescência e anticoalescência são observados. Mostramos que a variação no comprimento da cavidade pode transformar pico em vale de interferência e vice-versa, embora lcoh < L. O estado de momento dos pares de fótons, nas portas de saídas do divisor de feixes, pode ser controlado pela mudança no comprimento da cavidade. Num segundo trabalho, examinamos as mudanças na correlação dos pares de fótons quando seus correspondentes feixes são filtrados por uma cavidade de Fabry-Perot. Embora os pacotes de onda de cada fóton sofram, individualmente, dispersão, observamos o efeito de cancelamento da dispersão do par quando a freqüência do fóton está sintonizada com a freqüência natural de ressonância da cavidade. As larguras dos picos de Airy não clássicos são da ordem de seus correspondentes clássicos. A visibilidade das franjas de interferência adjacentes ao pico de Airy depende da finesse da cavidade.
Neste tese apresentamos um estudo teorico dos efeitos de coerencia atomica em vapor atomico com o proposito de estudar teoricamente efeitos oticos nao-lineares transversais a baixas intensidades de luz. Sob a condicao da transparencia induzida eletromagneticamente, um meio atomico pode desenvolver nao-linearidades oticas gigantes, possibilitando a observacao de efeitos oticos nao-lineares a baixas intensidades. Investigamos tres efeitos transversais: emissao conica, focalizacao induzida e feixes de vortices induzidos eletromagneticamente. Todos estes tres efeitos tem origem na modulacao de fase cruzada entre um laser de prova e um laser sinal, ambos fracos, com intensidades abaixo da intensidade de saturacao das transicoes as quais estao acopladas. Em emissao conica, descrevemos a formacao de aneis ao redor de um feixe de prova fraco. No estudo de focalizacao induzida, descrevemos como que a aplicacao de uma mascara de intensidade ao feixe sinal pode levar a formacao de lentes GRIN no vapor atomico, induzindo a focalizacao do laser de prova. Por ultimo, estudamos a conversao do feixe de prova em um feixe de vortice otico pela aplicacao de uma mascara de intensidade espiral ao feixe sinal
Abstract
Nesta dissertacao lidamos com o problema da transformacao de estados de polarizacao de um ou dois fotons por meios que podem ser classicamente descritos por matrizes de Mueller. Em especial tratamos de como as propriedades de despolarizacao de meios espalhadores levam a reducao do emaranhamento e ao aumento do grau de mistura de estados emaranhados da luz. Evidenciamos como o isomorfismo entre o estado de polarizacao de uma onda plana e sistemas quânticos de dois niveis (qubits) leva a um intercâmbio de ferramentas matematicas uteis para descrever as transformacoes nesses estados. Deduzimos uma expressao que nos permite calcular como o estado de dois fotons provenientes de um processo de conversao parametrica descendente espontânea e transformado por elementos com birrefringencia variavel. Estudamos o problema da simulacao do espalhamento de luz por meios diversos por sorteio aleatorio de matrizes de Mueller e mostramos a influencia do criterio de sorteio nos resultados. Em algumas partes fomos tambem capazes de comparar dados experimentais divulgados na literatura com uma serie de simulacoes numericas realizadas.
Em 1993, Bennett et al. [1] postularam o processo de teletransporte de um estado quântico através do uso de dois canais de comunicação, um canal clássico e outro formado por um par de sistemas emaranhados. Na área de óptica quântica, várias realizações experimentais deste teletransporte foram relatadas [2, 3, 4], tanto no domínio de variáveis contínuas como discretas. Recentemente, foi medido emaranhamento no domínio de variáveis contínuas entre feixes de luz intensos de cores distintas [5, 6, 7]. Utilizando feixes com estas características como canal de comunicação quântico, apresentamos uma proposta para o primeiro teletransporte de informação quântica com troca de informação no domínio de variáveis contínuas entre campos de cores distintas. Resultados experimentais em direção à realização da proposta foram alcançados. Os moduladores eletro-ópticos, necessários na construção e reconstrução dos estados quânticos da luz, foram caracterizados. Quatro cavidades ópticas foram construídas, com requerido pelo protocolo para feixes de luz de cores distintas. Um oscilador paramétrico óptico (OPO) foi construído para a gerar os feixes correlacionados. No entanto, ele apresentou resultados insatisfatórios, atribuídos a um defeito no cristal não linear. Por isso, um OPO com novo cristal e novos espelhos foi projetado e se encontra em fase de construção. Por fim, um tratamento teórico adequado às particularidades da proposta experimental é apresentado.