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.
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.
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.
Na presente tese, mostramos a medida de emaranhamento em um oscilador paramétrico ótico (OPO) baseado no processo paramétrico de mistura de quatro ondas (FWM) em vapor de 85Rb, acima do limiar de oscilação. Esta corresponde à primeira medida de emaranhamento em um OPO com susceptibilidade 3. O FWM, processo base para a construção deste OPO, acontece em meios não lineares tipo 3, como é o caso do isótopo de 85Rb. Previamente à construção do OPO, realizamos a revisão da teoria clássica e quântica do FWM, assim como a obtenção experimental do processo de FWM ao redor da linha D1 de absorção do 85Rb. O alto ganho do processo de FWM e o uso de cavidades abertas permitiu projetar a construção de um OPO duplamente ressonante, o qual gera dois feixes conhecidos como sinal e complementar. Mostramos a primeira medida de compressão de ruído entre os feixes sinal e complementar gerados pelo nosso OPO, com um máximo nível de compressão na diferença de intensidade de -2.7 dB [1]. A compressão de ruído é robusta para potências altas do feixe de bombeio, o que permitiu a operação estável do OPO até valores de até quatro vezes acima do limiar de oscilação. Além disso, reconstruímos a matriz de covariância associada ao estado dos dois feixes. A matriz de covariância permite realizar o teste de emaranhamento, usando os critérios de Duan et. al. [2] e de Simon [3]. Mostramos, pela primeira vez, a geração de emaranhamento entre os dois feixes gerados pelo OPO [4], demonstrando a violação no critério de Duan, com um valor máximo de 2 p-+2 q+=1.56 (14). Mediante o uso do critério de Simon, conseguimos estudar o emaranhamento entre as diferentes bandas laterais do sistema, com um nível de emaranhamento maior para pares de bipartições específicas. Mostramos que a densidade atômica é um fator determinante para a geração e perda de correlações quânticas. A geração de feixes emaranhados com um OPO atômico trabalhando perto da ressonância de átomos alcalinos permite a integração natural em redes quânticas.
projeto número 2017/27216-4. ResumoNa presente tese, mostramos a medida de emaranhamento em um oscilador paramétrico ótico (OPO) baseado no processo paramétrico de mistura de quatro ondas (FWM) em vapor de 85 Rb, acima do limiar de oscilac ¸ão.Esta corresponde à primeira medida de emaranhamento em um OPO com susceptibilidade χ (3) .O FWM, processo base para a construc ¸ão deste OPO, acontece em meios não lineares tipo χ (3) , como é o caso do isótopo de 85 Rb.Previamente à construc ¸ão do OPO, realizamos a revisão da teoria clássica e quântica do FWM, assim como a obtenc ¸ão experimental do processo de FWM ao redor da linha D 1 de absorc ¸ão do 85 Rb.O alto ganho do processo de FWM e o uso de cavidades abertas permitiu projetar a construc ¸ão de um OPO duplamente ressonante, o qual gera dois feixes conhecidos como sinal e complementar.Mostramos a primeira medida de compressão de ruído entre os feixes sinal e complementar gerados pelo nosso OPO, com um máximo nível de compressão na diferenc ¸a de intensidade de -2.7 dB[1].A compressão de ruído é robusta para potências altas do feixe de bombeio, o que permitiu a operac ¸ão estável do OPO até valores de até quatro vezes acima do limiar de oscilac ¸ão.Além disso, reconstruímos a matriz de covariância associada ao estado dos dois feixes.A matriz de covariância permite realizar o teste de emaranhamento, usando os critérios de Duan et al.[2] e de Simon [3].Mostramos, pela primeira vez, a gerac ¸ão de emaranhamento entre os dois feixes gerados pelo OPO [4], demonstrando a violac ¸ão no critério de Duan, com um valor máximo de ∆ 2 p-+ ∆ 2 q+ = 1.56(14) ≱ 2. Mediante o uso do critério de Simon, conseguimos estudar o emaranhamento entre as diferentes bandas laterais do sistema, com um nível de emaranhamento maior para pares de bipartic ¸ões especificas.Mostramos que a densidade atômica é um fator determinante para a gerac ¸ão e perda de correlac ¸ões quânticas.A gerac ¸ão de feixes emaranhados com um OPO atômico trabalhando perto da ressonância de átomos alcalinos permite a integrac ¸ão natural em redes quânticas.
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.
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.
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.