En este trabajo se presenta un estudio experimental de la excitación aleatoria de los dos modos linealmente polarizados de un VCSEL cuya corriente aplicada es cambiada de forma periódica en el tiempo. Se demuestra que la probabilidad de excitación de un modo linealmente polarizado cambia significativamente con el valor de la amplitud de voltaje, la temperatura y el tiempo de muestreo. A partir de la elección adecuada de estos parámetros se identifican situaciones en las que las distribuciones de las señales polarizadas linealmente son aproximadamente uniformes. Se han considerado métodos de postprocesamiento con códigos BCH y de Von Neumann para reducir el sesgo de las secuencias de bits obtenidas y tratar de analizar gráficamente la aleatoriedad de los resultados, con el objetivo de determinar si este sistema es un buen candidato como generador cuántico de números aleatorios.
En este trabajo se presenta un estudio experimental de la excitación aleatoria de los dos modos linealmente polarizados de un VCSEL cuya corriente aplicada es cambiada de forma periódica en el tiempo. Se demuestra que la probabilidad de excitación de un modo linealmente polarizado cambia significativamente con el valor de la amplitud de voltaje, la temperatura y el tiempo de muestreo. A partir de la elección adecuada de estos parámetros se identifican situaciones en las que las distribuciones de las señales polarizadas linealmente son aproximadamente uniformes. Se han considerado métodos de postprocesamiento con códigos BCH y de Von Neumann para reducir el sesgo de las secuencias de bits obtenidas y tratar de analizar gráficamente la aleatoriedad de los resultados, con el objetivo de determinar si este sistema es un buen candidato como generador cuántico de números aleatorios.
En el presente trabajo se ha estudiado la generación cuántica de números aleatorios (QRNG) mediante láseres de semiconductor de emisión lateral, con especial atención al ruido de fase originado por la emisión espontánea. Se han aplicado conocimientos impartidos en la carrera sobre óptica, fotónica, tecnologías cuánticas, programación y estadística. Se ha reproducido un montaje experimental basado en la interferencia de la señal emitida por un láser de modo discreto (DML) con la señal emitida por un láser sintonizable con objeto de medir la fase óptica del DML. El análisis de la fase óptica se ha llevado a cabo mediante técnicas numéricas avanzadas de desenvolvimiento de fase. Se ha confirmado que la variación de fase sigue un proceso estocástico gaussiano con un valor alto de varianza, lo que permite su uso como fuente de entropía cuántica. Posteriormente, se ha reproducido otro experimento con objeto de generar números aleatorios variando la corriente del láser, observándose que las intensidades cercanas al umbral (14,5–15 mA) ofrecen distribuciones de fase y entropía óptimas para la extracción de bits. Las métricas estadísticas de aleatoriedad -entropía de Shannon y min-entropía- alcanzan valores próximos al máximo teórico (en nuestro experimento 10 bits). Se ha implementado el algoritmo de Von Neumann para eliminar sesgos en la extracción de bits, obteniendo distribuciones casi uniformes tras el postprocesado. En conjunto, este trabajo demuestra la viabilidad de utilizar láseres de emisión lateral como fuentes compactas y eficientes de aleatoriedad cuántica, siendo de especial interés para aplicaciones en criptografía cuántica y distribución cuántica de claves (QKD). Asimismo, se han aportado resultados adicionales no explorados previamente, como la caracterización de la dependencia del sistema con la corriente y el análisis detallado de la fase desenvuelta.
[ES] En este trabajo final de máster (TFM) se presenta una técnica para la generación de números aleatorios verdaderos utilizando cavidades optomecánicas (OMC, por sus siglas en inglés optomechanical cavities ) fabricadas en Silicon on Insulator (SOI). En estas cavidades, el fenómeno de emisión láser de fotones y fonones (lasing) es facilitado por la interacción y excitación mutua entre ambos, lo que, bajo ciertas condiciones, permite alcanzar regímenes no lineales donde el modo mecánico es amplificado. Este trabajo incluye las medidas experimentales del comportamiento en lasing de la cavidad propuesta, tanto en el régimen de megahercios (MHz) como en el de gigahercios (GHz), caracterizando la evolución de la frecuencia central del lasing a lo largo del tiempo. Las medidas experimentales se han realizado en los laboratorios del Instituto Universitario de Tecnología Nanofotónica (NTC). Estas medidas han sido procesadas con diferentes tasas de muestreo y sometidas a análisis estadístico mediante pruebas de aleatoriedad estándar, como las incluidas en el NIST Statistical Test Suite (NIST STS) y en la batería de pruebas Diehard. Entre estas pruebas se incluyen el cálculo de la entropía de Shannon, el test de frecuencia (monobit), el test de rachas, el número de secuencias ascendentes y descendentes, longest run, la secuencia acumulativa de bits, la entropía aproximada, la suma de bloques superpuestos, el overlapping permutations test, el Monkey test (OPSO, OQSO, DNA), el Squeeze test, la prueba FFT y la prueba de Kolmogorov-Smirnov (KS Test), entre otros. Para que las OMCs puedan considerarse como generadores de números aleatorios verdaderos (TRNG, del inglés true random number generators ) es necesario que la señal obtenida sea balanceada, no contenga patrones predecibles, tenga una distribución de probabilidad uniforme y se comporte como una fuente de entropía máxima sin influencias externas. En este estudio se ha implementado un proceso de postprocesado para mejorar la calidad de los datos, con el objetivo de reducir correlaciones detectadas en la señal sin alterar su naturaleza aleatoria. Este procesado incluye la normalización avanzada, la aplicación de filtros de paso alto, la diferenciación de la señal y la mezcla con secuencias pseudoaleatorias para aumentar la entropía. En este TFM se comparar los resultados obtenidos antes y después del postprocesado, observando mejoras en la entropía de Shannon, la distribución de rachas y la estabilidad de las pruebas de aleatoriedad.
El presente Trabajo de Fin de Grado se centra en el estudio del comportamiento de la fase óptica en un láser de semiconductor de emisión lateral y modo discreto (DML). La motivación principal radica en la relevancia de comprender y controlar la difusión de fase de estos dispositivos, ya que es un fenómeno clave en el desarrollo de Generadores Cuánticos de Números Aleatorios. El estudio se ha abordado de forma sistemática, comenzando por el análisis del ruido en fase del láser bajo corriente continua sin modulación, como paso previo a su caracterización bajo una modulación sinusoidal de pequeña senñal. Los resultados experimentales muestran que, en ausencia de modulación, la difusión de la fase óptica disminuye a medida que la corriente continua se incrementa por encima del umbral, debido a la menor influencia relativa de la emisión espontánea. Al introducir la modulación sinusoidal, se observa un incremento notable en la difusión de fase, atribuible a las fluctuaciones de frecuencia (chirp) generadas. Se ha comprobado que tanto el aumento en la frecuencia como en la amplitud de la señal moduladora conllevan un aumento de la varianza de la fase. Un resultado clave es que, en ambas situaciones (con y sin modulación), el ruido en fase sigue una estadística Gaussiana, un comportamiento consistente con los modelos de ecuaciones de balance presentados, que describen la evolución estadística de la fase, cuya varianza aumenta linealmente con el tiempo para corrientes por encima de la corriente umbral. Estos resultados son de gran importancia para la investigación en el futuro de regímenes de modulación más complejos, como el ”gain switching”.
En el presente trabajo se ha estudiado experimentalmente la fase óptica de dos tipos de láseres de semiconductor. Se ha estudiado cómo la dinámica de estos láseres puede describirse a partir de las ecuaciones diferenciales estocásticas definidas mediante fuentes de ruido de Langevin. Se ha probado, de esta manera, que el ruido en fase de los láseres de semiconductor tiene estadística Gaussiana. Asimismo, se ha evidenciado una mayor difusión de la fase para una corriente inducida menor. De esta manera, en este trabajo se ha pretendido verificar un comportamiento de la fase óptica de los láseres de semiconductor aleatorio, cuya principal utilidad es el desarrollo de sistemas de generación cuántica de números aleatorios y de distribución cuántica de clave.
En la primera parte, el tema de estudio son las fluctuaciones cuanticas en el Oscilador Optico Parametrico (OPO) de tipo II. En esencia, los OPOs son cavidades opticas que contienen un cristal con una no linealidad de segundo orden. Cuando bombeamos con un laser de frecuencia 2w0, el OPO es capaz de generar frecuencias ws (senal) y wi (vago) de tal forma que ws+wi=2w0. Que el dispositivo sea de Tipo II hace referencia a que estos haces tienen polarizaciones ortogonales. En una descripcion clasica, la generacion de frecuencias requiere que el OPO sea bombeado por encima de un cierto valor umbral; sin embargo, cuanticamente las parejas de fotones senal-vago pueden ser generadas incluso por debajo de ese umbral, lo cual les confiere propiedades cuanticas muy interesantes. En particular, los OPOs de tipo I, en los cuales senal y vago tienen la misma polarizacion, mantienen el record de reduccion de ruido en cuadraturas (single-mode squeezing), lo que se manifiesta en el modo degenerado de frecuencia ws=wi=w0; consistiendo el squeezing en reducir el ruido cuantico en un observable a costa de incrementarlo en su par canonico, preservando asi el principio de incertidumbre, lo que permite, por ejemplo, realizar medidas ultraprecisas virtualmente libres de ruido cuantico. Por otro lado, los OPOs de tipo II ademas de proporcionar squeezing en la suma de fases de senal y vago (lo que no resulta detectable puesto que se trata de una cuadratura mixta que implica a dos modos de frecuencias y polarizaciones diferentes), tiene reduccion completa de ruido en la resta de intensidades, lo cual quiere decir que sus amplitudes estan perfectamente correlacionadas y los haces ?entrelazados?. Cuando dos sistemas estan entrelazados, presentan correlaciones cuanticas no-locales que pueden explotarse para muchas aplicaciones impensables en el dominio clasico. Sin embargo, para la manipulacion y deteccion de estos estados es muy conveniente que los campos generados esten degenerados en frecuencia (locking). Hasta ahora, las tecnicas conocidas que consiguen locking deterioran los niveles de squeezing y entrelazamiento. La primera vez que fue propuesta una tecnica de locking fue por Fabre y colaboradores. En esta parte de la tesis, nosotros proponemos una alternativa de conseguir degeneracion a frecuencia w0. Mostramos que el locking puede ser conseguido en el OPO tipo II preservando buenos niveles de entrelazamiento. En la segunda parte de la tesis nos centramos en el estudio de simuladores cuanticos de la fisica de sistemas de muchos cuerpos. En particular, nos centramos en el estudio de colecciones (arrays) de cavidades opticas, cada una interactuando fuertemente con un emisor de dos niveles. Este tipo de sistemas han recibido una atencion considerable en los ultimos anos. Se han descubierto fases coherentes fuertemente correlacionadas y se ha discutido sobre analogias con el efecto hall cuantico y con estados cuanticos topologicamente protegidos. En investigaciones anteriores el mecanismo de bombeo utilizado ha sido un bombeo coherente para cada cavidad, con lo que la relacion de fase entre los campos de cavidades distantes podia ser atribuida, al menos en parte, a la relacion de fase entre los campos coherentes bombeados. En este trabajo mostramos que la coherencia entre cavidades distantes puede construirse espontaneamente, provocada solo por los procesos fisicos dentro del array. De esta forma nos preguntamos si en estas estructuras se pueden desarrollar superfluidos fuera del equilibrio o condensados de Bose Einstein. Por este motivo, consideramos que el array de cavidades esta bombeado solo de forma incoherente. Para una sola cavidad el sistema se reduce al laser de un solo emisor (one- emitter laser), ampliamente estudiado en trabajos anteriores. En nuestro analisis nos concentramos en las correlaciones en cavidades distantes, tipicamente consideradas para investigar efectos de rango lejano y la emergencia de superfluidez. De hecho encontramos correlaciones colectivas cuando las cavidades se encuentran en regimen de emision laser. Estas correlaciones decaen mas rapido que ninguna potencia de la distancia cuando la distancia entre cavidades tiende a infinito para cualquier dimension del array. Como es de esperar, la longitud de correlacion asociada aumenta al aumentar el acoplo entre cavidades. Tambien encontramos propiedades intrinsecas del laser, como el tipico espectro de fotoluminiscencia, el triplete de Mollow, el cual puede ser observado lejos de la resonancia entre emisor y cavidad debido a la aparicion de modos fotonicos colectivos. La tercera parte de la tesis se centra en el estudio de cavidades optomecanicas, que son resonadores opticos (dos espejos enfrentados, por ejemplo) iluminados por un laser, en los que se produce una interaccion entre la luz y uno o varios sistemas mecanicos. Estos dispositivos pueden implementarse de varias formas, siendo la mas sencilla la que asume que la luz ejerce una presion de radiacion que puede modificar la posicion de un espejo movil. El uso de resonadores opticos permite aumentar en varios ordenes de magnitud la intensidad de la luz en el interior de la cavidad, lo cual conduce a una mejora impresionante de la interaccion. Las cavidades optomecanicas han sido implementadas usando diferentes osciladores mecanicos (OMs) como, por ejemplo, resonadores microtoroidales o membranas suspendidas en una cavidad. Desde el punto de vista cuantico, estos dispositivos tambien pueden proporcionar estados cuanticos de la luz como squeezed o entrelazados, asi como enfriamiento del OM (laser cooling). El laser cooling es una tecnica para enfriar el OM hasta su estado fundamental (el de minima energia), punto de partida para estudiar la transicion microscopica-macroscopica de las leyes mecano-cuanticas. El modelo propuesto en esta parte de la tesis, permite la coexistencia de muchos modos tanto mecanicos como opticos (estamos entonces en presencia de un sistema intrinsecamente multimodo). A traves del estudio de la estabilidad del sistema hemos obtenido que pueden coexistir dos soluciones homogeneas (biestabilidad) y que no solo existen inestabilidades temporales, sino que tambien pueden formarse estructuras espaciales disipativas. Por ejemplo, partiendo de una inyeccion plana (invariante bajo traslaciones) encontramos patrones hexagonales (que rompen espontaneamente la simetria espacial), y, en la zona de biestabilidad, donde los patrones coexisten con una solucion homogenea, encontramos solitones de cavidad.
Usando las ecuaciones Ópticas de Bloch y considerando un sistema molecular que interactúa con un reservorio térmico, derivamos expresiones analíticas para las propiedades ópticas no lineales en la espectroscopia de mezcla de cuatro ondas. En este trabajo se introducen diferentes metodologías para el estudio de las polarizaciones macroscópicas y susceptibilidades ópticas no lineales. En un sistema de dos niveles, hemos considerado una frecuencia dependiente del tiempo para describir los efectos colectivos del reservorio térmico, cuya manifestación es el ensanchamiento del nivel superior según una función aleatoria prescrita. Aquí, las respuestas ópticas son calculadas mediante una metodología basada en el promedio de la coherencia obtenida por la resolución de las ecuaciones de Bloch ópticas estocásticas. Evaluamos las susceptibilidades ópticas a diferentes frecuencias, representadas como superficies numéricas para el comportamiento de las respuestas ópticas, en función del factor de desintonización de frecuencias bombeo-prueba, y de la intensidad del ruido. Se estudian los tiempos de relajación utilizando las propiedades de simetría de las respuestas ópticas y los efectos de la difusión espectral en la susceptibilidad no lineal de tercer orden para sistemas cuánticos de dos y tres estados. Los resultados presentados en este trabajo muestran aplicaciones potenciales para la caracterización de sistemas moleculares complejos a través de sus propiedades ópticas no lineales.