Estudamos teoricamente a geração de estados emaranhados do campo eletromagnético através do processo de mistura de quatro ondas em uma nuvem de átomos frios em configuração duplo- trabalhando perto da ressonância. Mostra-se que neste caso é possível gerar emaranhamento com uma potência de bombeio muito menor do que na situação em que temos átomos quentes [17]. Baseando-se nos parâmetros da armadilha de átomos de rubídio de nosso laboratório, calcula-se uma violação de 46.5 % do limite imposto pela desigualdade DGCZ [59] para uma frequência de Rabi dos bombeios de =0.8 MHz (neste caso, equivalente a uma potência de 0.3 µW) e uma dessintonia de =20 MHz para uma transição enquanto a outra permanece ressonante. Também foi analisado o emaranhamento entre as bandas laterais dos feixes de prova e conjugado, estudando a estrutura do emaranhamento entre estes quatro modos através do critério positividade sobre transposição parcial em variáveis continuas. Nesta análise, se observaram correlações quânticas entre pares de campos (a banda superior do feixe de prova e a banda inferior do feixe conjugado, e a banda inferior do feixe de prova e a banda superior do feixe conjugado). Estas evidências, junto com as equações de evolução dos feixes, sugerem que a mistura de quatro ondas, dentro das considerações supostas neste trabalho, gera estados nos quais o emaranhamento é exclusivo entre as bandas laterais superior de um feixe com a inferior do outro. [17] Vincent Boyer et al. Science, 321-544 (2008). [59] Lu-Ming Duan et al. Phys. Rev. Lett 84-2722 (2000)
Estudamos teoricamente a geração de estados emaranhados do campo eletromagnético através do processo de mistura de quatro ondas em uma nuvem de átomos frios em configuração duplo- trabalhando perto da ressonância. Mostra-se que neste caso é possível gerar emaranhamento com uma potência de bombeio muito menor do que na situação em que temos átomos quentes [17]. Baseando-se nos parâmetros da armadilha de átomos de rubídio de nosso laboratório, calcula-se uma violação de 46.5 % do limite imposto pela desigualdade DGCZ [59] para uma frequência de Rabi dos bombeios de =0.8 MHz (neste caso, equivalente a uma potência de 0.3 µW) e uma dessintonia de =20 MHz para uma transição enquanto a outra permanece ressonante. Também foi analisado o emaranhamento entre as bandas laterais dos feixes de prova e conjugado, estudando a estrutura do emaranhamento entre estes quatro modos através do critério positividade sobre transposição parcial em variáveis continuas. Nesta análise, se observaram correlações quânticas entre pares de campos (a banda superior do feixe de prova e a banda inferior do feixe conjugado, e a banda inferior do feixe de prova e a banda superior do feixe conjugado). Estas evidências, junto com as equações de evolução dos feixes, sugerem que a mistura de quatro ondas, dentro das considerações supostas neste trabalho, gera estados nos quais o emaranhamento é exclusivo entre as bandas laterais superior de um feixe com a inferior do outro. [17] Vincent Boyer et al. Science, 321-544 (2008). [59] Lu-Ming Duan et al. Phys. Rev. Lett 84-2722 (2000)
Estudamos teoricamente a geração de estados emaranhados do campo eletromagnético através do processo de mistura de quatro ondas em uma nuvem de átomos frios em configuração duplo-Λ trabalhando perto da ressonância.Mostra-se que neste caso é possível gerar emaranhamento com uma potência de bombeio muito menor do que na situação em que temos átomos quentes [17].Baseando-se nos parâmetros da armadilha de átomos de rubídio de nosso laboratório, calcula-se uma violação de 46.5 % do limite imposto pela desigualdade DGCZ [59] para uma frequência de Rabi dos bombeios de Ω =0.8 MHz (neste caso, equivalente a uma potência de 0.3 µW) e uma dessintonia de ∆ =20 MHz para uma transição Λ enquanto a outra permanece ressonante.Também foi analisado o emaranhamento entre as bandas laterais dos feixes de prova e conjugado, estudando a estrutura do emaranhamento entre estes quatro modos através do critério positividade sobre transposição parcial em variáveis continuas.Nesta análise, se observaram correlações quânticas entre pares de campos (a banda superior do feixe de prova e a banda inferior do feixe conjugado, e a banda inferior do feixe de prova e a banda superior do feixe conjugado).Estas evidências, junto com as equações de evolução dos feixes, sugerem que a mistura de quatro ondas, dentro das considerações supostas neste trabalho,
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.
Nesta tese, geramos pares de fótons em um sistema com dois níveis de energia puros, utilizando uma armadilha magneto-óptica com átomos frios de rubídio-87. No processo de mistura de quatro ondas considerado neste experimento, dois feixes contrapropagantes excitam o ensemble atômico, gerando espontaneamente pares de fótons emaranhados, propagando-se em direções opostas e fazendo um ângulo de 3 ∘ com a direção dos feixes de excitação. Correlações quânticas são observadas na escala de tempo de nanosegundos, devido a interferência entre a componente de frequência central da excitação e as bandas laterais, que estão deslocadas da componente central pela dessintonia da ressonância atômica. Ao contrário do que foi reportado por Du et al. em 2007, nós fomos capazes de observar experimentalmente a violação da desigualdade de Cauchy-Schwarz válida para campos clássicos de luz, e obtemos R = (1.98 ± 0.03) ≰ 1. Surpreendentemente, essas correlações quânticas prevalecem mesmo na presença do forte ruído de fundo proveniente do espalhamento Rayleigh dos feixes de excitação. Elas são frágeis com respeito a processos que perturbam a fase da excitação atômica, mas são robustas a variações no número de átomos e a aumentos nas intensidades de excitação. Também realizamos uma caracterização das correlações nas escalas de tempo curta (dezenas de ns) e longa (dezenas de μs) e obtivemos um bom acordo dos dados experimentais com nosso modelo teórico empírico que foi introduzido. Além disso, mostramos que essas correlações não clássicas podem ser consideravelmente amplificadas filtrando espectralmente a componente do espalhamento Rayleigh, e obtivemos R = (5.00 ± 1.30) ≰ 1.
O estudo de interações não lineares da luz com vapores atômicos tem sido fundamen- tal para a compreensão de vários problemas. Em particular, sabe-se que diferentes processos podem acontecer simultaneamente e interferir entre si. Neste trabalho investigamos a de- pendência com a frequência de dois processos: mistura de quatro ondas degenerada e rotação da polarização devido ao efeito Faraday. Usamos um único laser cw para gerar dois feixes de entrada com polarizações lineares e ortogonais, designadas por seus vetores de onda ka e ⃗kb. Estes dois feixes interagem com a amostra, gerando dois sinais de mistura de quatro ondas, nas direções 2 ⃗ka − ⃗kb e 2 ⃗kb − ⃗ka. Este é um processo degenerado com os feixes de entrada e saída sintonizados na linha D2, na transição 5S1/2 → 5P3/2, do rubídio. Nós focamos nossos estudos em um dos sinais, 2 ⃗kb − ⃗ka, e analisamos a rotação da polarização do feixe transmitido, ⃗kb, após este passar pela amostra. As medidas foram feitas em três temperaturas diferentes e com razões de intensidades entre os feixes de entrada variadas. Para altas temperaturas e baixa intensidade do feixe de prova, Ia, observamos um grande efeito de rotação da polarização no feixe de bombeio, Ib, enquanto o sinal de mistura de quatro ondas apresenta um espectro do tipo Doppler. Quando a intensidade do feixe de prova cresce, alcançando a mesma intensidade do feixe de bombeio, uma estrutura de picos aparece no espectro de mistura de quatro onda, enquanto a rotação da polarização do feixe b parece diminuir na presença do feixe de prova.
Propomos um método de conversão de estados quânticos do campo eletromagnético entre cores distintas do espectro, empregando os feixes emaranhados produzidos pela conversão paramétrica descendente em um oscilador paramétrico óptico (OPO). O OPO é bombeado por um feixe de 532 nm, com a geração de um campo intenso (mW) ressonante com a linha D1 dos átomos de Rb, em 795 nm. O campo complementar, produzido em 1608 nm, está na faixa da banda L de telecomunicações, região de baixas perdas em fibra óptica apropriada para acoplamentos em longa distância e compatível com a tecnologia de micro fabricação de dispositivos ópticos em chips de silício e nitreto de silício. Empregaremos o sistema na demonstração de teletransporte de diferentes estados quânticos da luz produzidos por interação com átomos de rubídio, com a conversão de frequência da luz para a banda L. Para atingir esse objetivo, é fundamental haver uma fonte de um par de feixes emaranhados nos comprimentos de onda em questão. Assim, o foco deste trabalho foi produzi-los. A geração do par de feixes gêmeos foi alcançada, apesar da dificuldade de travamento do OPO na temperatura adequada. Além disso, todo o sistema de detecção e aquisição de dados foi montado. Então, foi feita a caracterização completa dos feixes gerados com o cristal do OPO a 18ºC, com comprimentos de onda distintos dos desejados devido à temperatura. Para verificar o emaranhamento dos feixes, foi utilizado o critério de Duan, no qual a soma das quadraturas dos feixes deveria ser menor do que 1. O resultado obtido, no entanto, foi de 1,04. O valor próximo do necessário indica que, com a superação do obstáculo de travamento do OPO a baixas temperaturas, o emaranhamento será de fato observado.
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.