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Quantum interference with entangled hybrid state in the Mach-Zehnder interferometer: analysis of the mean number of photons.

Jose Eduardo Marques Carneiro da [UNIFESP] Silva

Published Jan 1, 2016• 0 citations
OpenAlex

Abstract

O interferômetro de Mach-Zehnder (MZI) é um aparato óptico amplamente utilizado, por exemplo, em aplicações na engenharia e também para se testar fundamentos da Teoria Quântica. Neste trabalho, investigaremos diversos estados quânticos do campo eletromagnético como entrada no MZI, todos sob a perspectiva teórica (analítica). Um estado específico de entrada do tipo emaranhado e híbrido (que se torna separável no limite α → 0) foi nosso foco principal e, para ele, obtivemos a dependência da média do número de fótons com o deslocamento de fase, entre outros parâmetros. Explicitamente, observamos uma dependência interessante em relação ao |α|2 bem como com a parte imaginária de α , discutimos tais resultados e comparamos com a literatura. Além disto, este trabalho também contempla, utilizando Dinâmica de Campos Térmicos (TFD), a termalização do estado | α⟩| 0⟩, visando sua utilização no MZI em trabalhos futuros

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Binomial state in the Mach-Zehnder interferometer.

Igor Santos. Oliveira

A criptografia quântica é o futuro da segurança da comunicação, o primeiro protocolo que usa as teorias quânticas é o BB84 que pode ser aplicado usando a polarização da luz ou a fase. No caso da fase essa comunicação pode ser feita usando o Interferômetro de Mach-Zehnder quântico para fazer superposição de fótons e oferecer segurança na comunicação devido à incerteza na fase dos fótons detectados. O estado de número, que é o estado dos fótons individuais, é o caso ideal para a comunicação, onde a fase é indefinida e com máxima incerteza. Por outro lado, o estado coerente é o mais usual e consegue ter uma incerteza satisfatória na fase, porem não é um estado para uma comunicação segura, pois se trata de um estado considerado clássico da luz. O estado binomial é um estado interpolador entre o estado coerente e o estado de número, essa interpolação é alcançado através dos limites adequado os parâmetros que os define. Com isso é possível ter um estado não clássico que permite ter maior incerteza na fase e com resultados mais satisfatórios do que o encontrado para o coerente.

•Mar 21, 2014•0 citations

Multicolor entanglement to link quantum systems

Túlio Brito Brasil

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.

•Mar 23, 2021•0 citations

O Interferômetro de Mach-Zehnder e a Escolha Retardada Quântica

Diogo O. Soares-Pinto, Caio B. Naves

A proposta do presente trabalho é analisar o experimento da Escolha Retardada através de um experimento idealizado utilizando um interferômetro de Mach-Zehnder aliado a uma partícula quântica de prova como controladora do resultado: padrão de interferência ou comportamento corpuscular. Inicialmente, estudamos a proposta original do experimento da escolha retardada e também como o aparato se encaixa como modelo de um experimento análogo ao de dupla fenda. Dentro desse contexto, também analisamos os conceitos de partícula e onda e a sua relação com o princípio de complementaridade de Bohr. Mostramos como a extensão para um experimento de escolha retardada quântica pode ser feita no contexto de interferômetros de Mach-Zehnder. As conclusões gerais são de que os comportamentos ondulatório e corpuscular devem ser associados às distribuições de probabilidades resultantes e que estes emergem no contexto do experimento de escolha retardada quântica através de uma correlação entre os resultados da partícula principal e da partícula auxiliar.

Revista Brasileira de Ensino de Física•Jan 1, 2021•1 citation

Quantum interference of force, Hanbury Brown and Twiss with electrons, and photon reflection by a quantum mirror

Raul Correa Silva

A presente tese apresenta trabalhos realizados em três assuntos. O primeiro assunto tratado diz respeito a interferência quântica. Mostramos que uma partícula quântica em um interferômetro Mach-Zehnder, sob a ação de uma força positiva em um dos braços do interferômetro e uma força nula no outro, pode receber na média uma transferência de momento negativa quando sai do interferômetro por uma porta específica. Nesse cenário, um conjunto de partículas pode na média ganhar momento no sentido oposto ao da força aplicada devido a interferência quântica, um comportamento sem análogo clássico. Chamamos esse efeito de "interferência quântica de força", e apresentamos três possibilidades de implementação experimental para detectar tal efeito, com elétrons ou nêutrons em um interferômetro Mach-Zehnder, e com átomos de um condensado de Bose-Einstein. Em seguida discutimos o caso de dois elétrons propagando no mesmo interferômetro Mach-Zehnder e mostramos que, devido ao mesmo efeito de interferência quântica de força, os dois elétrons podem sofrer uma atração efetiva. O segundo assunto tratado é o desenvolvimento de uma proposta experimental para detectar interferência de Hanbury Brown e Twiss com elétrons se propagando no espaço livre. Recentemente surgiram dúvidas sobre experimentos do tipo realizados anteriormente, cujos resultados podem ser explicados como causados por repulsão Coulombiana ao invés de um efeito de interferência de duas partículas. Na nossa proposta, os dois efeitos podem ser diferenciados claramente, o que abre caminho para o desenvolvimento de uma técnica de imagem com fontes incoerentes de elétrons. Finalmente, o terceiro assunto diz respeito à derivação por primeiros princípios do momento trocado entre um fóton e um espelho quântico após o primeiro ser refletido pelo segundo. Para isso, usamos as condições de contorno impostas pela superfície do espelho sobre a equação de onda do fóton. Mostramos que o sistema em geral termina em um estado emaranhado, a menos que a incerteza em posição do espelho seja muito menor do que o comprimento de onda do fóton, caso em que o espelho se comporta classicamente. O nosso tratamento leva diretamente à conclusão de que o momento do fóton é ~k, e isso nos permite dar uma contribuição ao histórico debate Abraham Minkowski sobre o momento da luz em um meio material. A configuração que usamos revela o momento de Minkowski, em que o momento da luz é proporcional ao índice de refração do meio.

•Feb 27, 2019•0 citations

Interpretações da mecânica quântica em um interferômetro virtual de Mach-Zehnder

Fernanda Ostermann, Sandra D. Prado

Neste trabalho analisamos o fenômeno da interferência quântica no interferômetro de Mach Zehnder - um arranjo experimental análogo ao experimento das duas fendas, porém mais simples - sob a luz das principais escolas de interpretação da mecânica quântica. Embora fortemente inspirados pelo trabalho de Pessoa Jr. [1]-[3], damos especial ênfase à Interpretação dos Muitos Mundos ou Universos Paralelos, que experimenta um crescente interesse tanto por parte da comunidade científica quanto de leigos. A Interpretação dos Muitos Mundos é uma corrente da mecânica quântica para a qual, além do mundo do qual somos conscientes, há muitos outros mundos similares que existem em paralelo no espaço e ao mesmo tempo. A existência destes outros mundos torna possível a remoção da aleatoriedade e da ação à distância da teoria quântica. Uma introdução básica de uma interpretação que tem estado presente nos meios de comunicação é uma importante contribuição para a formação inicial e continuada de professores de Física, principalmente quando se busca uma discussão mais conceitual sobre o tema.

Revista Brasileira de Ensino de Física•Jun 1, 2005•16 citations

Interpretations on quantum mechanics on a virtual Mach-Zehnder interferometer

Fernanda Ostermann, Sandra D. Prado

Neste trabalho analisamos o fenômeno da interferência quântica no interferômetro de Mach Zehnder - um arranjo experimental análogo ao experimento das duas fendas, porém mais simples - sob a luz das principais escolas de interpretação da mecânica quântica. Embora fortemente inspirados pelo trabalho de Pessoa Jr. [1]-[3], damos especial ênfase à Interpretação dos Muitos Mundos ou Universos Paralelos, que experimenta um crescente interesse tanto por parte da comunidade científica quanto de leigos. A Interpretação dos Muitos Mundos ´e uma corrente da mecânica quântica para a qual, além do mundo do qual somos conscientes, há muitos outros mundos similares que existem em paralelo no espaço e ao mesmo tempo. A existência destes outros mundos torna possível a remoção da aleatoriedade e da ação `a distância da teoria quântica. Uma introdução básica de uma interpretação que tem estado presente nos meios de comunicação ´e uma importante contribuição para a formação inicial e continuada de professores de Física, principalmente quando se busca uma discussão mais conceitual sobre o tema.

•Jan 1, 2005•0 citations
O interferômetro de Mach-Zehnder (MZI) é um aparato óptico amplamente utilizado, por exemplo, em aplicações na engenharia e também para se testar fundamentos da Teoria Quântica. Neste trabalho, investigaremos diversos estados quânticos do campo eletromagnético como entrada no MZI, todos sob a perspectiva teórica (analítica). Um estado específico de entrada do tipo emaranhado e híbrido (que se torna separável no limite α → 0) foi nosso foco principal e, para ele, obtivemos a dependência da média do número de fótons com o deslocamento de fase, entre outros parâmetros. Explicitamente, observamos uma dependência interessante em relação ao |α|2 bem como com a parte imaginária de α , discutimos tais resultados e comparamos com a literatura. Além disto, este trabalho também contempla, utilizando Dinâmica de Campos Térmicos (TFD), a termalização do estado | α⟩| 0⟩, visando sua utilização no MZI em trabalhos futuros
A criptografia quântica é o futuro da segurança da comunicação, o primeiro protocolo que usa as teorias quânticas é o BB84 que pode ser aplicado usando a polarização da luz ou a fase. No caso da fase essa comunicação pode ser feita usando o Interferômetro de Mach-Zehnder quântico para fazer superposição de fótons e oferecer segurança na comunicação devido à incerteza na fase dos fótons detectados. O estado de número, que é o estado dos fótons individuais, é o caso ideal para a comunicação, onde a fase é indefinida e com máxima incerteza. Por outro lado, o estado coerente é o mais usual e consegue ter uma incerteza satisfatória na fase, porem não é um estado para uma comunicação segura, pois se trata de um estado considerado clássico da luz. O estado binomial é um estado interpolador entre o estado coerente e o estado de número, essa interpolação é alcançado através dos limites adequado os parâmetros que os define. Com isso é possível ter um estado não clássico que permite ter maior incerteza na fase e com resultados mais satisfatórios do que o encontrado para o coerente.
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.
A proposta do presente trabalho é analisar o experimento da Escolha Retardada através de um experimento idealizado utilizando um interferômetro de Mach-Zehnder aliado a uma partícula quântica de prova como controladora do resultado: padrão de interferência ou comportamento corpuscular. Inicialmente, estudamos a proposta original do experimento da escolha retardada e também como o aparato se encaixa como modelo de um experimento análogo ao de dupla fenda. Dentro desse contexto, também analisamos os conceitos de partícula e onda e a sua relação com o princípio de complementaridade de Bohr. Mostramos como a extensão para um experimento de escolha retardada quântica pode ser feita no contexto de interferômetros de Mach-Zehnder. As conclusões gerais são de que os comportamentos ondulatório e corpuscular devem ser associados às distribuições de probabilidades resultantes e que estes emergem no contexto do experimento de escolha retardada quântica através de uma correlação entre os resultados da partícula principal e da partícula auxiliar.
A presente tese apresenta trabalhos realizados em três assuntos. O primeiro assunto tratado diz respeito a interferência quântica. Mostramos que uma partícula quântica em um interferômetro Mach-Zehnder, sob a ação de uma força positiva em um dos braços do interferômetro e uma força nula no outro, pode receber na média uma transferência de momento negativa quando sai do interferômetro por uma porta específica. Nesse cenário, um conjunto de partículas pode na média ganhar momento no sentido oposto ao da força aplicada devido a interferência quântica, um comportamento sem análogo clássico. Chamamos esse efeito de "interferência quântica de força", e apresentamos três possibilidades de implementação experimental para detectar tal efeito, com elétrons ou nêutrons em um interferômetro Mach-Zehnder, e com átomos de um condensado de Bose-Einstein. Em seguida discutimos o caso de dois elétrons propagando no mesmo interferômetro Mach-Zehnder e mostramos que, devido ao mesmo efeito de interferência quântica de força, os dois elétrons podem sofrer uma atração efetiva. O segundo assunto tratado é o desenvolvimento de uma proposta experimental para detectar interferência de Hanbury Brown e Twiss com elétrons se propagando no espaço livre. Recentemente surgiram dúvidas sobre experimentos do tipo realizados anteriormente, cujos resultados podem ser explicados como causados por repulsão Coulombiana ao invés de um efeito de interferência de duas partículas. Na nossa proposta, os dois efeitos podem ser diferenciados claramente, o que abre caminho para o desenvolvimento de uma técnica de imagem com fontes incoerentes de elétrons. Finalmente, o terceiro assunto diz respeito à derivação por primeiros princípios do momento trocado entre um fóton e um espelho quântico após o primeiro ser refletido pelo segundo. Para isso, usamos as condições de contorno impostas pela superfície do espelho sobre a equação de onda do fóton. Mostramos que o sistema em geral termina em um estado emaranhado, a menos que a incerteza em posição do espelho seja muito menor do que o comprimento de onda do fóton, caso em que o espelho se comporta classicamente. O nosso tratamento leva diretamente à conclusão de que o momento do fóton é ~k, e isso nos permite dar uma contribuição ao histórico debate Abraham Minkowski sobre o momento da luz em um meio material. A configuração que usamos revela o momento de Minkowski, em que o momento da luz é proporcional ao índice de refração do meio.
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Neste trabalho analisamos o fenômeno da interferência quântica no interferômetro de Mach Zehnder - um arranjo experimental análogo ao experimento das duas fendas, porém mais simples - sob a luz das principais escolas de interpretação da mecânica quântica. Embora fortemente inspirados pelo trabalho de Pessoa Jr. [1]-[3], damos especial ênfase à Interpretação dos Muitos Mundos ou Universos Paralelos, que experimenta um crescente interesse tanto por parte da comunidade científica quanto de leigos. A Interpretação dos Muitos Mundos ´e uma corrente da mecânica quântica para a qual, além do mundo do qual somos conscientes, há muitos outros mundos similares que existem em paralelo no espaço e ao mesmo tempo. A existência destes outros mundos torna possível a remoção da aleatoriedade e da ação `a distância da teoria quântica. Uma introdução básica de uma interpretação que tem estado presente nos meios de comunicação ´e uma importante contribuição para a formação inicial e continuada de professores de Física, principalmente quando se busca uma discussão mais conceitual sobre o tema.