Propomos um esquema inovador para o teletransporte em variáveis contínuas usando um OPO, oscilador paramétrico ótico, como fonte de estados emaranhados e desenvolvemos a instrumentação necessária para implementá-lo. O OPO é utilizado em um regime de operação onde dois feixes de comprimentos de onda distintos são produzidos, o que permitirá que o estado de uma dada cor seja aniquilado e que sua recriação seja em uma cor diferente. A realização dessa proposta permite teletransportar estados quânticos da luz entre cores distintas do espectro eletromagnético. Devido a sintonizabilidade do OPO, será possível a comunicação quântica entre diferentes tipos de sistemas que servirão como elementos de processamento na manipulação da informação quântica. A fidelidade deste processo é tanto maior quanto maior for o emaranhamento do par empregado, dessa forma, o maior desafio para a realização do teletransporte é justamente a construção de um canal quântico com o maior nível de emaranhamento possível experimentalmente. Várias tentativas de construção do canal quântico foram feitas, porém nenhuma delas apresentou-se, até o momento, adequada para a realização com sucesso do protocolo. Em uma das tentativas, um OPO duplamente ressonante, alcançou-se uma compressão de ruído de intensidade, nunca antes medida na história do nosso laboratório, porém o excesso de ruído de fase medido, originado do laser, degradou o emaranhamento, impossibilitando o prosseguimento da montagem. Atualmente, estamos investindo em um OPO triplamente ressonante como provável canal quântico do nosso protocolo. Medidas preliminares de emaranhamento desse novo OPO foram realizadas, entretanto ainda não se mostrou suficiente para o teletransporte.
Propomos um esquema inovador para o teletransporte em variáveis contínuas usando um OPO, oscilador paramétrico ótico, como fonte de estados emaranhados e desenvolvemos a instrumentação necessária para implementá-lo. O OPO é utilizado em um regime de operação onde dois feixes de comprimentos de onda distintos são produzidos, o que permitirá que o estado de uma dada cor seja aniquilado e que sua recriação seja em uma cor diferente. A realização dessa proposta permite teletransportar estados quânticos da luz entre cores distintas do espectro eletromagnético. Devido a sintonizabilidade do OPO, será possível a comunicação quântica entre diferentes tipos de sistemas que servirão como elementos de processamento na manipulação da informação quântica. A fidelidade deste processo é tanto maior quanto maior for o emaranhamento do par empregado, dessa forma, o maior desafio para a realização do teletransporte é justamente a construção de um canal quântico com o maior nível de emaranhamento possível experimentalmente. Várias tentativas de construção do canal quântico foram feitas, porém nenhuma delas apresentou-se, até o momento, adequada para a realização com sucesso do protocolo. Em uma das tentativas, um OPO duplamente ressonante, alcançou-se uma compressão de ruído de intensidade, nunca antes medida na história do nosso laboratório, porém o excesso de ruído de fase medido, originado do laser, degradou o emaranhamento, impossibilitando o prosseguimento da montagem. Atualmente, estamos investindo em um OPO triplamente ressonante como provável canal quântico do nosso protocolo. Medidas preliminares de emaranhamento desse novo OPO foram realizadas, entretanto ainda não se mostrou suficiente para o teletransporte.
AgradecimentosGostaria de agradecer tudo o que aprendi e vivenciei ao longo desses desafiantes anos.Apesar da frustração de não ter realizado o teletransporte quântico, fico imensamente feliz em perceber toda a minha evolução pessoal e espiritual durante essa jornada.Sou grata à Capes por ter me financiado.Realmente, sinto-me uma privilegiada por ter recebido para aprender tanto e me divertir no laboratório.Que eu seja capaz de retornar cada centavo investido para ajudar o país a crescer;Sou profundamente grata a todo o pessoal do LMCAL, tanto aos professores, Marcelo e Paulo, quanto aos pós-docs e alunos com os quais tive contato durante esse tempo: Renné, Ashok, Márcio, Alessandro, Katiúscia, Felippe, Antônio, Hans, Carlos, Harold, Klara, Igor, Rayssa, Túlio, Renato, Flávio e Luiz.O convívio com vocês me fez, sem dúvida, uma pessoa melhor e muito mais consciente dos meus propósitos de vida;Agradeço, em especial, ao Renné, parceiro de experimento que me ensinou muito das práticas de laboratório e me fez perder o medo de manipular um laser intenso.Agradeço também por ter cedido seu código para a realização de algumas das análises de dados, enquanto o meu código não estava finalizado;Ao professor Piza, pela longa e excelente discussão em sua sala em pleno Carnaval.Foi um dos momentos mais felizes do meu doutorado onde me senti, de fato, ouvida e considerada.Gratidão!Aos queridos técnicos da mecânica, eletrônica e vácuo com os quais trabalhei: Marcos, Júnior, Pedro, Alex, Betão, Wilson, Eduardo, Celso e João pelo profissionalismo e por todos os ensinamentos.Vocês foram também meus professores em vários momentos, orientando-me em questões práticas que jamais imaginei lidar.Muita gratidão!Aos funcionários e amigos: Edi, Juliane, Luiz, Sérgio e Pedro (da gráfica) pela paciência, torcida e palavras de conforto sempre que o experimento apresentava algum problema; À minha mãe amada e exemplo na minha vida, Nevinha, pelo amor e 3 apoio incondicional; À minha irmã Daniela, ao meu cunhado Marcelo e às minhas pequenas Marina e Rafaela pelo carinho e por encher minha vida de felicidade e esperança; Ao meu pai Paulo por me colocar nesse maravilhoso caminho da busca pelo conhecimento; À toda minha família pela torcida, especialmente, às minhas tias Zaira, Tânia e Aline pelas orações; Ao meu primo André por ter financiado quase toda a minha educação durante o ensino fundamental e médio.Sinto-me, mais uma vez, uma privilegiada por ter estudado em boas escolas em Salvador, isso fez toda a diferença na minha formação.Certamente, sem o seu financiamento dificilmente estaria na USP.Minha eterna gratidão!!!! Aos meus amigos, Mariana, Nataly, Telma, Ghrasy, Fernanda, Néia, Tiago, Ísis, Maria Clara, Juliana, Sérgio, Raimundo, Ângelo e Maicon pela amizade e por me sentir tão querida; E, o mais importante de todos os agradecimentos, ao DIVINO por me guiar pela escuridão e me dar sabedoria para lidar com situações pantanosas. ResumoPropomos um esquema inovador para o teletransporte em variáveis contínuas usando um OPO, oscilador paramétrico ótico, como fonte de estados emaranhados e desenvolvemos a instrumentação necessária para implementá-lo.O OPO é utilizado em um regime de operação onde dois feixes de comprimentos de onda distintos são produzidos, o que permitirá que o estado de uma dada cor seja aniquilado e que sua recriação seja em uma cor diferente.A realização dessa proposta permite teletransportar estados quânticos da luz entre cores distintas do espectro eletromagnético.Devido a sintonizabilidade do OPO, será possível a comunicação quântica entre diferentes tipos de sistemas que servirão como elementos de processamento na manipulação da informação quântica.A fidelidade deste processo é tanto maior quanto maior for o emaranhamento do par empregado, dessa forma, o maior desafio para a realização do teletransporte é justamente a construção de um canal quântico com o maior nível de emaranhamento possível experimentalmente.Várias tentativas de construção do canal quântico foram feitas, porém nenhuma delas apresentou-se, até o momento, adequada para a realização com sucesso do protocolo.Em uma das tentativas, um OPO duplamente ressonante, alcançou-se uma compressão de ruído de intensidade, nunca antes medida na história do nosso laboratório, porém o excesso de ruído de fase medido, originado do laser, degradou o emaranhamento, impossibilitando o prosseguimento da montagem.
Em 1993, Bennett et al. [1] postularam o processo de teletransporte de um estado quântico através do uso de dois canais de comunicação, um canal clássico e outro formado por um par de sistemas emaranhados. Na área de óptica quântica, várias realizações experimentais deste teletransporte foram relatadas [2, 3, 4], tanto no domínio de variáveis contínuas como discretas. Recentemente, foi medido emaranhamento no domínio de variáveis contínuas entre feixes de luz intensos de cores distintas [5, 6, 7]. Utilizando feixes com estas características como canal de comunicação quântico, apresentamos uma proposta para o primeiro teletransporte de informação quântica com troca de informação no domínio de variáveis contínuas entre campos de cores distintas. Resultados experimentais em direção à realização da proposta foram alcançados. Os moduladores eletro-ópticos, necessários na construção e reconstrução dos estados quânticos da luz, foram caracterizados. Quatro cavidades ópticas foram construídas, com requerido pelo protocolo para feixes de luz de cores distintas. Um oscilador paramétrico óptico (OPO) foi construído para a gerar os feixes correlacionados. No entanto, ele apresentou resultados insatisfatórios, atribuídos a um defeito no cristal não linear. Por isso, um OPO com novo cristal e novos espelhos foi projetado e se encontra em fase de construção. Por fim, um tratamento teórico adequado às particularidades da proposta experimental é apresentado.
Em 1993, Bennett propôs um protocolo de teletransporte de um estado quântico por meio de dois canais de comunicação de natureza distinta: Um canal clássico, formado por duas vias clássicas de informação, e um canal quântico, formado por um par de sistemas entrelaçados. Após algumas implementações bem-sucedidas no domínio de variáveis discretas, em 1998 surge uma versão de variáveis contínuas do protocolo [1]. No mesmo ano, Furusawa et al. realizam o teletransporte quântico incondicional baseado em variáveis contínuas do campo [2]. Recentemente, o emaranhamento no domínio de variáveis contínuas entre feixes intensos de luz com diferentes cores foi medido [3, 4, 5]. Neste trabalho relatamos os avanços na implementação do protocolo de teletransporte entre campos intensos de cores distintas. Depois de alguns esforços, conseguimos construir um oscilador paramétrico óptico (OPO) que se apresentou como uma fonte razoável de feixes intensos emaranhados. Os equipamentos necessários para a execução do protocolo foram construídos e instalados. Seguiram-se vários testes para garantir o funcionamento combinado de todas as partes. Entre eles, a teleportação de um estado de vácuo não deslocado, onde obtivemos resultados promissores. Após ajustes de configuração e desenvolvimento de técnicas de análise de dados para fornecer a produção, detecção e análise de estados deslocados do campo, o protocolo foi executado com esse tipo de estados. Alcançamos uma fidelidade de 45% para um estado de entrada deslocado, enquanto que a fidelidade considerando apenas as variâncias chegou a 60%. Para comprovar sucesso de nosso protocolo de teletransporte quântico, estão previstas algumas otimizações e alterações na operação do OPO, através das quais esperamos superar em breve a marca de 50% de fidelidade, correspondente ao limite clássico.
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 transmissão de informação quântica de uma localidade a outra não é um problema trivial. O teletransporte é uma promessa de solução, um sistema que usa dois canais de comunicação: um clássico --- um sistema usual de transmissão ---, e um quântico - construído pela geração de emaranhamento entre os estados dos usuários envolvidos. As primeiras realizações deste procedimento davam o resultado correto apenas em uma fração das vezes, problema resolvido no ano seguinte no primeiro protocolo de teletransporte incondicional. Desde então, diferentes esquemas experimentais foram sendo implementados e melhores resultados obtidos. O presente trabalho codifica informação nos modos de frequência da luz, com emaranhamento sendo gerado por um Oscilador Paramétrico Ótico acima do limiar. Aqui é desenvolvida a teoria para caracterização de estados em modos de frequência mais gerais, apresentada com os resultados obtidos. Para as perdas existentes no sistema, não é esperado uma fidelidade na comparação entre o estado de saída com o de entrada maior do que 42% sem o uso de recursos quânticos. O melhor resultado obtido com o uso de feixes emaranhados foi de 40%, perto do limiar da necessidade de recursos quânticos mas sem ultrapassá-lo.
Investigamos as propriedades quânticas dos feixes de luz produzidos pelo oscilador paramétrico ótico (OPO) acima do limiar, tanto experimental quanto teoricamente. Apresentamos a primeira medida de emaranhamento entre os feixes gêmeos, sinal e complementar. Estes podem possuir frequências óticas muito distintas, correspondentes a centenas de nanometros em comprimento de onda. O emaranhamento entre duas cores possibilita transferir informação quântica entre diferentes regiões do espectro eletromagnético. A demonstração experimental do emaranhamento foi realizada mostrando que a soma de variâncias de observáveis tipo EPR dos campos, a subtração de intensidades e a soma das fases dos feixes, viola uma desigualdade que deve ser necessariamente satisfeita por todos os estados separáveis. Mostramos a presença de squeezing em ambos os observáveis, com os respectivos valores Delta2p−=0,49(1) e Delta2q+=0,65(1) relativos ao ruído quântico padrão. A desigualdade violada resultou Delta2p−+Delta2q+=1,14(2)<2. Isso solucionou um problema aberto desde 1988, quando se previu teoricamente pela primeira vez a existência desse emaranhamento. Mostramos teoricamente que as correlações quânticas se estendem ao feixe de bombeio refletido pelo OPO, culminando no emaranhamento entre os três feixes envolvidos no processo paramétrico. Tem-se, assim, a geração direta de emaranhamento tripartite entre três regiões muito distintas do espectro. O emaranhamento multicolor amplia ainda mais as possibilidades de conversão da cor da informação quântica, com aplicações em redes quânticas. As diversas melhorias que realizamos em nosso sistema durante a busca pelo emaranhamento bipartite trouxeram uma compreensão mais profunda sobre a física de seu funcionamento, além de tornar nosso OPO uma fonte estável de feixes de luz coerente emaranhados. Este trabalho vem incluir o OPO acima do limiar no ferramental da área de informação quântica com variáveis contínuas. Esperamos em breve aplicações muito interessantes desse sistema.