Four wave mixing as a source of entangled states of the field

Barbara Abigail Ferreira Ribeiro

Published Apr 2, 2019• 0 citations

Abstract

A mistura de quatro ondas (4WM) é um processo não linear que permite a amplificação paramétrica de campos óticos. A partir de um campo de bombeio, podemos amplificar um campo de prova e gerar um campo conjugado neste processo com um elevado ganho. Recentemente, vários experimentos de 4WM foram realizados em células de rubídio revelando compressão de ruído e emaranhamento da luz [1, 2, 3], levando a aplicações interessantes na área de informação quântica. Estudamos a mistura de quatro ondas numa célula de vapor de rubídio dentro de uma cavidade ótica, servindo como um oscilador paramétrico ótico (OPO). Resolvemos o modelo de campo médio e estudamos as flutuações quânticas dos campos na operação acima do limiar de oscilação para os casos de ressonância dupla (prova e conjugado) e tripla. Mostramos o emaranhamento de três campos (bombeio, prova e conjugado), além de compressão de ruído para o campo de bombeio e para os campos convertidos. Nosso modelo permite estudar o caso de uma cavidade aberta, explorando a região próxima ao limiar, diferente da situação experimental observada para sistemas com não-linearidades (2), que geralmente possuem ganhos baixos e necessitam de cavidades fechadas. Palavras chave: ótica quântica, mistura de quatro ondas, Oscilador paramétrico ótico, emaranhamento. [1] Squeezed light and entangled images from four-wave-mixing in hot rubidium vapor, vol. 7092, 2008. [2] R. C. Pooser, A. M. Marino, V. Boyer, K. M. Jones, and P. D. Lett, Low-noise amplifi- cation of a continuous-variable quantum state, Phys. Rev. Lett., vol. 103, p. 010501, Jun 2009. [3] V. Boyer, A. M. Marino, R. C. Pooser, and P. D. Lett, Entangled images from four-wave mixing, Science, vol. 321, no. 5888, pp. 544547, 2008.

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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.

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si el tiempo que poco a poco me convierte en tierra fuera a dejar corriendo eternamente las aguas de mi canto. Pablo Neruda,Trecho de Oda a la Poesía Resumo O emaranhamento é uma propriedade intrinsecamente quântica, que pode ser empregada em protocolos de comunicação quântica de informação, como criptografia quântica e teletransporte, e um recurso importante no processamento quântico de informação, visando a implementação de algoritmos mais eficientes que os atualmente empregados, de uso limitado em problemas ditos insolúveis, nos quais, as etapas de processamento crescem exponencialmente com o tamanho dos dados de entrada.O Processo de Mistura de Quatro Ondas [4WM: Four Wave Mixing] na configuração duplo-Λ em vapor de Rubídio tem-se mostrado como uma fonte robusta de estados fortemente emaranhados [Boyer et al., 2008b].No presente trabalho é caracterizado o ganho paramétrico G dos campos Stokes e anti-Stokes no processo de 4WM associado à linha D 1 do Rubídio.Os parâmetros estudados foram a dessintonia do campo de bombeio ∆, sua intensidade I B e a temperatura da célula de Rubídio T Rb .Além da caracterização do ganho, estudaram-se também a absorção eletromagneticamente induzida e as intensidades dos feixes conjugados.Obtiveram-se ganhos de até 450% ajustáveis via sintonização destes parâmetros.Os elevados ganhos em meios atômicos permitem geração de emaranhamento sem uso de cavidade e aceitam operação multimodo.Consequentemente podem ser usados na realização de medidas ultraprecisas e ensejam a possibilidade de explorar regimes até agora inatingíveis pelos Osciladores Paramétricos Óticos [OPO] baseados em cristais (nos quais os ganhos são da ordem de 4%).O OPO tem sido estudado em situações acima ou abaixo do limiar, mas na transição rareiam resultados experimentais.Os resultados obtidos foram comparados com a literatura, e o próximo passo é usá-los em cavidades abertas para construir um OPO que seja facilmente operado acima ou abaixo do limiar, e estudar o limite entre vácuo enmaranhado e feixes intensos.Espera-se observar estados emaranhados não gaussianos gerados neste sistema e estudar suas aplicações em processamento de informação com variáveis contínuas da luz.

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