O oscilador paramétrico ótico (OPO) com meios (2) tem sido de grande importância nas áreas de ótica quântica e informação quântica. Porém, é um sistema que opera em frequências diferentes das de sistemas atômicos, importantes por serem usados como memórias quânticas. Assim, um OPO com meio atômico seria ideal para eliminar a necessidade de conversão de frequências. Além disso, meios atômicos saturam com facilidade, permitindo a obtenção de efeitos não lineares com menos recursos que o caso (2). Recentemente, foi realizado experimentalmente um OPO com meio (3) baseado na mistura de quatro ondas em átomos, que portanto são compatíveis com frequências atômicas, e que além disso produzem feixes emaranhados. Este sistema já foi descrito de forma satisfatória por modelos fenomenológicos. Porém, não há uma descrição microscópica que leve em conta os parâmetros de interação luz-átomos que possam ser mapeados com o experimento. Já existe um modelo microscópico para a mistura de quatro ondas sem cavidade. Esse modelo, porém, não é compatível com situações em que o feixe de prova não é fraco, como no caso do OPO. Assim, o presente trabalho se propõe a estendê-lo a esse caso. Para isso, desenvolvemos um modelo duplamente perturbativo das amplitudes dos feixes e das populações atômicas, partindo do modelo microscópico. Trabalhamos em sua álgebra até alcançarmos um conjunto sucinto de equações recursivas que previssem todos os seus níveis de perturbação, implementando-as em uma simulação e, por fim, analisando os seus resultados. Os ajustes previstos em relação ao modelo microscópico para os perfis de ganho são compatíveis com o esperado, trazendo depleção do ombeio, bem como diminuição e alargamento espectral dos perfis de ganho dos feixes sinal e conjugado, com comportamentos coesos entre os perfis dos diferentes feixes. Também verificamos o comportamento das propriedades quânticas dos feixes através da análise de ruídos das quadraturas e das intensidades dos campos. Mostramos que as variações do comportamento dessas propriedades segundo o nosso modelo são consistentes com os limites quânticos segundo critérios de compressão de ruído, e apontam o emaranhamento dos feixes sinal e conjugado. O nosso trabalho é um passo importante na direção da compreensão da mistura de quatro ondas com átomos de rubídio dentro da cavidade, trazendo importantes conclusões a respeito de uma descrição mais apropriada do OPO.
O oscilador paramétrico ótico (OPO) com meios (2) tem sido de grande importância nas áreas de ótica quântica e informação quântica. Porém, é um sistema que opera em frequências diferentes das de sistemas atômicos, importantes por serem usados como memórias quânticas. Assim, um OPO com meio atômico seria ideal para eliminar a necessidade de conversão de frequências. Além disso, meios atômicos saturam com facilidade, permitindo a obtenção de efeitos não lineares com menos recursos que o caso (2). Recentemente, foi realizado experimentalmente um OPO com meio (3) baseado na mistura de quatro ondas em átomos, que portanto são compatíveis com frequências atômicas, e que além disso produzem feixes emaranhados. Este sistema já foi descrito de forma satisfatória por modelos fenomenológicos. Porém, não há uma descrição microscópica que leve em conta os parâmetros de interação luz-átomos que possam ser mapeados com o experimento. Já existe um modelo microscópico para a mistura de quatro ondas sem cavidade. Esse modelo, porém, não é compatível com situações em que o feixe de prova não é fraco, como no caso do OPO. Assim, o presente trabalho se propõe a estendê-lo a esse caso. Para isso, desenvolvemos um modelo duplamente perturbativo das amplitudes dos feixes e das populações atômicas, partindo do modelo microscópico. Trabalhamos em sua álgebra até alcançarmos um conjunto sucinto de equações recursivas que previssem todos os seus níveis de perturbação, implementando-as em uma simulação e, por fim, analisando os seus resultados. Os ajustes previstos em relação ao modelo microscópico para os perfis de ganho são compatíveis com o esperado, trazendo depleção do ombeio, bem como diminuição e alargamento espectral dos perfis de ganho dos feixes sinal e conjugado, com comportamentos coesos entre os perfis dos diferentes feixes. Também verificamos o comportamento das propriedades quânticas dos feixes através da análise de ruídos das quadraturas e das intensidades dos campos. Mostramos que as variações do comportamento dessas propriedades segundo o nosso modelo são consistentes com os limites quânticos segundo critérios de compressão de ruído, e apontam o emaranhamento dos feixes sinal e conjugado. O nosso trabalho é um passo importante na direção da compreensão da mistura de quatro ondas com átomos de rubídio dentro da cavidade, trazendo importantes conclusões a respeito de uma descrição mais apropriada do OPO.
Investigamos as propriedades quânticas conjuntas dos três feixes intensos de luz produzidos por um oscilador paramétrico ótico (OPO) operando acima do limiar, denominados bombeio, sinal e complementar. Analisamos experimentalmente as flutuações quânticas de intensidade e fase destes feixes, e como se correlacionam. Observamos pela primeira vez a presença de correlações quânticas entre as fases dos três campos. O ruído observado na soma das fases de sinal e complementar, Vq12=1,28(3)>1, passa a apresentar compressão de ruído após ser corrigido pelas flutuações de fase do feixe de bombeio, resultando em (Vq12)\\' =0,84(3)<1. Para potências mais altas de bombeio, observamos também a existência de correlações quânticas diretamente entre as amplitudes do feixe de bombeio e um dos feixes convertidos (sinal ou complementar); a máxima compressão de ruído medida correspondeu a Vp02=0,86(3)<1. Estendemos nosso estudo às propriedades de emaranhamento deste sistema tripartite, para tanto utilizando dois critérios distintos. Nossos dados apontam a separabilidade do sistema no regime de operação estudado, em contradição com o modelo teórico. Utilizando o critério de emaranhamento de P. van Loock e A. Furusawa, obtivemos os seguintes valores para as combinação de variâncias que comprovariam a inseparabilidade caso fossem menores que 2: V0=1,29(5)<2, V1=2,04(11)>2 e V2=2,09(7)>2. Com relação ao segundo critério de separabilidade, positividade sob transposição parcial, obtivemos os seguintes autovalores simpléticos a partir da matriz de covariância medida: A0=0,94(8) e A1=0,36(6)<1, em que o emaranhamento seria evidenciado caso A0<1 e A1<1. Esta discordância com a previsão teórica está relacionada a um ruído clássico espúrio observado no sistema, cujas características são levantadas nesta tese. Nossa análise indica os rumos a serem seguidos para a observação do emaranhamento. Mostramos teoricamente que o emaranhamento tripartite previsto pode ser utilizado como recurso para a criação de um sistema emaranhado multipartite. Para tanto, diversos OPOs são utilizados em uma configuração em cadeia, na qual o feixe de bombeio refletido pelo primeiro OPO serve de bombeio para o segundo e assim sucessivamente. Este esquema permite a geração de uma rede quântica multicolor escalável. Por fim, descrevemos a construção de um laser de Ti:safira que representa o primeiro passo na integração entre luz não-clássica e física atômica a ser investigada em nosso laboratório. Este laser pode ser utilizado, ao mesmo tempo, como bombeio do OPO e de uma nuvem de átomos. O emaranhamento tripartite gerado no OPO estabeleceria a conexão destes últimos com os feixes convertidos, cujos comprimentos de onda possibilitariam a transmissão direta destes feixes de luz através de fibras óticas comerciais de telecomunicação.
Nesta dissertação, descreveremos as primeiras medidas de ruído quântico em um oscilador paramétrico ótico (OPO) bombeado em 780 nm, construído no nosso laboratório. Esse OPO servirá de fonte de estados não clássicos da luz para interação com átomos de rubídio. Faremos uma revisão da teoria clássica do OPO: o bombeamento de um cristal não linear inserido dentro de uma cavidade ótica, produzindo dois feixes intensos de luz (sinal e complementar) com cores distintas. Calcularemos as expressões para o limiar de oscilação, potências de saída dos feixes convertidos e compararemos as principais diferenças entre OPOs com cristais do tipo I e tipo II. Analisaremos a descrição quântica do OPO, calcularemos os espectros de ruído para as quadraturas do bombeio refletido e para as quadraturas dos feixes gêmeos. Veremos que o OPO gera feixes com correlações quânticas, como o emaranhamento tripartido, entres os três feixes envolvidos no processo não linear. O cristal não linear utilizado no nosso experimento é um PPKTP tipo I. Ajustando a temperatura do cristal, podemos gerar feixes próximos da degenerescência até uma diferença de comprimentos de onda de aproximadamente 350 nm. A compressão de ruído quântico observado na diferença das amplitudes dos feixes sinal e complementar é 44%(-2.5 dB). O próximo passo é a implementação da técnica da rotação da elipse de ruído por cavidades óticas, para medir os ruídos de fase dos três campos . Fazendo a verificação do emaranhamento tripartido e determinando a sua dependência com o ruído de fônons inserido pelo cristal, a caracterização do OPO estará completa. A caracterização deste OPO é um passo importante nos objetivos do LMCAL, que é realizar a troca de informação entre luz e átomos em uma rede quântica.
No presente trabalho, descrevemos a construção de um oscilador paramétrico ótico (OPO) com meio atômico de ganho de susceptibilidade X(3) , e a caracterização de seu limiar de oscilação. O processo base para a construção deste OPO é a Mistura de Quatro Ondas (4WM), que acontece em meios não lineares tipo X(3) , como é o caso dos isótopos de 85 Rb e 87 Rb. Realizou-se uma revisão da teoria atômica do rubídio, do 4WM e da teoria clássica do OPO. Obtivemos e caracterizamos o processo de 4WM em função de três parâmetros experimentais: a dessintonia do feixe de bombeio em relação ao pico do crossover da transição 5S 1/2 (F = 2)-> 5P 1/2 (F \\' ) do 85 Rb na linha D 1 , da potência do bombeio e da temperatura da célula de rubídio. Encontrou-se uma ótima região de frequências em torno a Delta = 0.77GHz para a construção do OPO com os átomos de rubídio como meio não linear. Nesta região obteve-se uma amplificação máxima de 450% para o feixe de prova com absorção nula e uma intensidade do conjugado alta, para o feixe de prova com frequência Delta= w+ 3GHz (anti-Stokes). A elevada amplificação observada permite, em princípio, um limiar de oscilação menos abrupto: o surgimento de oscilação aparece de forma menos sensível a variações da potência de bombeio. Com efeito, para a dessintonia Delta = 0.38GHz o limiar é suave. A caracterização do 4WM e do limiar de oscilação do OPO é importante para a possível geração de estados não gaussianos. Um limiar suave permite, em princípio, operação e estudo muito próximo do limiar, região em que há previsões indicando a geração de estados não gaussianos que são relevantes para aplicações em informação quântica.
Investigamos as propriedades quânticas conjuntas dos três feixes intensos de luz produzidos por um oscilador paramétrico ótico (OPO) operando acima do limiar, denominados bombeio, sinal e complementar. Analisamos experimentalmente as flutuações quânticas de intensidade e fase destes feixes, e como se correlacionam. Observamos pela primeira vez a presença de correlações quânticas entre as fases dos três campos. O ruído observado na soma das fases de sinal e complementar, Vq12=1,28(3)>1, passa a apresentar compressão de ruído após ser corrigido pelas flutuações de fase do feixe de bombeio, resultando em (Vq12)\' =0,84(3)<1. Para potências mais altas de bombeio, observamos também a existência de correlações quânticas diretamente entre as amplitudes do feixe de bombeio e um dos feixes convertidos (sinal ou complementar); a máxima compressão de ruído medida correspondeu a Vp02=0,86(3)<1. Estendemos nosso estudo às propriedades de emaranhamento deste sistema tripartite, para tanto utilizando dois critérios distintos. Nossos dados apontam a separabilidade do sistema no regime de operação estudado, em contradição com o modelo teórico. Utilizando o critério de emaranhamento de P. van Loock e A. Furusawa, obtivemos os seguintes valores para as combinação de variâncias que comprovariam a inseparabilidade caso fossem menores que 2: V0=1,29(5)<2, V1=2,04(11)>2 e V2=2,09(7)>2. Com relação ao segundo critério de separabilidade, positividade sob transposição parcial, obtivemos os seguintes autovalores simpléticos a partir da matriz de covariância medida: A0=0,94(8) e A1=0,36(6)<1, em que o emaranhamento seria evidenciado caso A0<1 e A1<1. Esta discordância com a previsão teórica está relacionada a um ruído clássico espúrio observado no sistema, cujas características são levantadas nesta tese. Nossa análise indica os rumos a serem seguidos para a observação do emaranhamento. Mostramos teoricamente que o emaranhamento tripartite previsto pode ser utilizado como recurso para a criação de um sistema emaranhado multipartite. Para tanto, diversos OPOs são utilizados em uma configuração em cadeia, na qual o feixe de bombeio refletido pelo primeiro OPO serve de bombeio para o segundo e assim sucessivamente. Este esquema permite a geração de uma rede quântica multicolor escalável. Por fim, descrevemos a construção de um laser de Ti:safira que representa o primeiro passo na integração entre luz não-clássica e física atômica a ser investigada em nosso laboratório. Este laser pode ser utilizado, ao mesmo tempo, como bombeio do OPO e de uma nuvem de átomos. O emaranhamento tripartite gerado no OPO estabeleceria a conexão destes últimos com os feixes convertidos, cujos comprimentos de onda possibilitariam a transmissão direta destes feixes de luz através de fibras óticas comerciais de telecomunicação.
No presente trabalho, descrevemos a construção de um oscilador paramétrico ótico (OPO) com meio atômico de ganho de susceptibilidade X(3) , e a caracterização de seu limiar de oscilação. O processo base para a construção deste OPO é a Mistura de Quatro Ondas (4WM), que acontece em meios não lineares tipo X(3) , como é o caso dos isótopos de 85 Rb e 87 Rb. Realizou-se uma revisão da teoria atômica do rubídio, do 4WM e da teoria clássica do OPO. Obtivemos e caracterizamos o processo de 4WM em função de três parâmetros experimentais: a dessintonia do feixe de bombeio em relação ao pico do crossover da transição 5S 1/2 (F = 2)-> 5P 1/2 (F \' ) do 85 Rb na linha D 1 , da potência do bombeio e da temperatura da célula de rubídio. Encontrou-se uma ótima região de frequências em torno a Delta = 0.77GHz para a construção do OPO com os átomos de rubídio como meio não linear. Nesta região obteve-se uma amplificação máxima de 450% para o feixe de prova com absorção nula e uma intensidade do conjugado alta, para o feixe de prova com frequência Delta= w+ 3GHz (anti-Stokes). A elevada amplificação observada permite, em princípio, um limiar de oscilação menos abrupto: o surgimento de oscilação aparece de forma menos sensível a variações da potência de bombeio. Com efeito, para a dessintonia Delta = 0.38GHz o limiar é suave. A caracterização do 4WM e do limiar de oscilação do OPO é importante para a possível geração de estados não gaussianos. Um limiar suave permite, em princípio, operação e estudo muito próximo do limiar, região em que há previsões indicando a geração de estados não gaussianos que são relevantes para aplicações em informação quântica.
Apesar de ser um experimento bem conhecido na literatura relacionada ao estudo da informação quântica, o Oscilador Paramétrico Ótico (OPO) operando acima do limiar não forneceu sempre os resultados esperados por sua teoria, pois apresentava excesso de ruído na fase de seus feixes, de origem desconhecida. Neste trabalho apresentamos de forma sistemática a teoria padrão do Oscilador Paramétrico Ótico no contexto quântico. Além disso, introduzimos um modelo ad-hoc para o excesso de ruído de fase do OPO que reproduz os resultados obtidos em nossos experimentos. Em nosso modelo, inserimos um ruído na fase de cada feixe do OPO proporcional a intensidade dos campos intracavidade. Este ruído apresenta correlações não perfeitas entre os feixes, como foi demonstrado experimentalmente. Apesar de desconhecidas a origem desse excesso de ruído, temos indicações de que ele é causado por centros expalhadores de luz no cristal do OPO devido a presença de fônons de origem térmica.