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 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.
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.
Investigamos as propriedades quânticas conjuntas dos três feixes intensos de luz produzidos por um oscilador paramétrico ótico (OPO) operando acima do limiar, denominados bombeio, sinal e complementar. Analisamos experimentalmente as flutuações quânticas de intensidade e fase destes feixes, e como se correlacionam. Observamos pela primeira vez a presença de correlações quânticas entre as fases dos três campos. O ruído observado na soma das fases de sinal e complementar, Vq12=1,28(3)>1, passa a apresentar compressão de ruído após ser corrigido pelas flutuações de fase do feixe de bombeio, resultando em (Vq12)\' =0,84(3)<1. Para potências mais altas de bombeio, observamos também a existência de correlações quânticas diretamente entre as amplitudes do feixe de bombeio e um dos feixes convertidos (sinal ou complementar); a máxima compressão de ruído medida correspondeu a Vp02=0,86(3)<1. Estendemos nosso estudo às propriedades de emaranhamento deste sistema tripartite, para tanto utilizando dois critérios distintos. Nossos dados apontam a separabilidade do sistema no regime de operação estudado, em contradição com o modelo teórico. Utilizando o critério de emaranhamento de P. van Loock e A. Furusawa, obtivemos os seguintes valores para as combinação de variâncias que comprovariam a inseparabilidade caso fossem menores que 2: V0=1,29(5)<2, V1=2,04(11)>2 e V2=2,09(7)>2. Com relação ao segundo critério de separabilidade, positividade sob transposição parcial, obtivemos os seguintes autovalores simpléticos a partir da matriz de covariância medida: A0=0,94(8) e A1=0,36(6)<1, em que o emaranhamento seria evidenciado caso A0<1 e A1<1. Esta discordância com a previsão teórica está relacionada a um ruído clássico espúrio observado no sistema, cujas características são levantadas nesta tese. Nossa análise indica os rumos a serem seguidos para a observação do emaranhamento. Mostramos teoricamente que o emaranhamento tripartite previsto pode ser utilizado como recurso para a criação de um sistema emaranhado multipartite. Para tanto, diversos OPOs são utilizados em uma configuração em cadeia, na qual o feixe de bombeio refletido pelo primeiro OPO serve de bombeio para o segundo e assim sucessivamente. Este esquema permite a geração de uma rede quântica multicolor escalável. Por fim, descrevemos a construção de um laser de Ti:safira que representa o primeiro passo na integração entre luz não-clássica e física atômica a ser investigada em nosso laboratório. Este laser pode ser utilizado, ao mesmo tempo, como bombeio do OPO e de uma nuvem de átomos. O emaranhamento tripartite gerado no OPO estabeleceria a conexão destes últimos com os feixes convertidos, cujos comprimentos de onda possibilitariam a transmissão direta destes feixes de luz através de fibras óticas comerciais de telecomunicação.
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.
Investigamos as propriedades quânticas conjuntas dos três feixes intensos de luz produzidos por um oscilador paramétrico ótico (OPO) operando acima do limiar, denominados bombeio, sinal e complementar. Analisamos experimentalmente as flutuações quânticas de intensidade e fase destes feixes, e como se correlacionam. Observamos pela primeira vez a presença de correlações quânticas entre as fases dos três campos. O ruído observado na soma das fases de sinal e complementar, Vq12=1,28(3)>1, passa a apresentar compressão de ruído após ser corrigido pelas flutuações de fase do feixe de bombeio, resultando em (Vq12)\\' =0,84(3)<1. Para potências mais altas de bombeio, observamos também a existência de correlações quânticas diretamente entre as amplitudes do feixe de bombeio e um dos feixes convertidos (sinal ou complementar); a máxima compressão de ruído medida correspondeu a Vp02=0,86(3)<1. Estendemos nosso estudo às propriedades de emaranhamento deste sistema tripartite, para tanto utilizando dois critérios distintos. Nossos dados apontam a separabilidade do sistema no regime de operação estudado, em contradição com o modelo teórico. Utilizando o critério de emaranhamento de P. van Loock e A. Furusawa, obtivemos os seguintes valores para as combinação de variâncias que comprovariam a inseparabilidade caso fossem menores que 2: V0=1,29(5)<2, V1=2,04(11)>2 e V2=2,09(7)>2. Com relação ao segundo critério de separabilidade, positividade sob transposição parcial, obtivemos os seguintes autovalores simpléticos a partir da matriz de covariância medida: A0=0,94(8) e A1=0,36(6)<1, em que o emaranhamento seria evidenciado caso A0<1 e A1<1. Esta discordância com a previsão teórica está relacionada a um ruído clássico espúrio observado no sistema, cujas características são levantadas nesta tese. Nossa análise indica os rumos a serem seguidos para a observação do emaranhamento. Mostramos teoricamente que o emaranhamento tripartite previsto pode ser utilizado como recurso para a criação de um sistema emaranhado multipartite. Para tanto, diversos OPOs são utilizados em uma configuração em cadeia, na qual o feixe de bombeio refletido pelo primeiro OPO serve de bombeio para o segundo e assim sucessivamente. Este esquema permite a geração de uma rede quântica multicolor escalável. Por fim, descrevemos a construção de um laser de Ti:safira que representa o primeiro passo na integração entre luz não-clássica e física atômica a ser investigada em nosso laboratório. Este laser pode ser utilizado, ao mesmo tempo, como bombeio do OPO e de uma nuvem de átomos. O emaranhamento tripartite gerado no OPO estabeleceria a conexão destes últimos com os feixes convertidos, cujos comprimentos de onda possibilitariam a transmissão direta destes feixes de luz através de fibras óticas comerciais de telecomunicação.
Apresentamos nesta tese a primeira geração direta de emaranhamento tripartite entre feixes intensos de luz. Medimos o emaranhamento entre os feixes sinal, complementar e bombeio refletido, produzidos por um Oscilador Paramétrico Ótico (OPO) operando acima do limiar de oscilação. A principal característica do nosso sistema é a diferença entre os comprimentos de onda dos campos (l0 = 532.251 nm, l1 = 1062.102 nm, e l2 = 1066.915 nm). Esta é a primeira medida de emaranhamento entre mais de dois subsistemas produzidos por uma única fonte no âmbito de variáveis contínuas. Para investigar a existência emaranhamento, utilizamos o critério de positividade sob transposição parcial (PPT). Este critério, aplicado a sistemas compostos por estados gaussianos, dispostos em bipartições do tipo 1×(N 1), torna-se necessário e suficiente na demonstração do emaranhamento. Realizamos também a caracterização do emaranhamento produzido quando submetemos os campos a perdas, identificando regiões de parâmetros onde os estados apresentam emaranhamento frágil ou robusto. A fim de garantir que estamos lidando com estados gaussianos, investigamos a estatística das flutuações dos campos, mostrando excelente acordo entre os valores dos momentos de ordem mais alta da fotocorrente medida e os valores esperados para uma distribuição gaussiana. O estudo que apresentamos é um passo importante para a elaboração de uma rede de informação quântica que possibilitará a comunicação entre diferentes sistemas físicos.
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 ∆ 2 p-= 0,49(1) e ∆ 2 q+ = 0,65(1) relativos ao ruído quântico padrão.A desigualdade violada resultou ∆ 2 p-+ ∆ 2 q+ = 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..