(English) The dawn of the last century marked the onset of the first quantum revolution, a period characterized by groundbreaking discoveries culminating in the establishment of quantum mechanics. Over time, the abstract concepts introduced by this new branch of Physics, evolved into indispensable practical devices shaping our daily lives. This technological evolution spurred our actual era, centered around information exchange and acquisition, laying the foundation for what is now termed the second quantum revolution. This phase aims to leverage quantum information science, which harnesses quantum mechanics' properties to propel advancements in information processing, communication, and computation, leading to revolutionary quantum technologies. At the heart of advancing quantum technologies lies the exploration of what are known as non-classical states --physical manifestations exhibiting behaviors diverging from classical physics, necessitating the framework of quantum mechanics for explanation. Manipulating and generating these states delineates the frontier of progress in quantum technology. Therefore, it is crucial to devise methodologies for generating and controlling non-classical states. Photonics emerges as a promising platform within this context due to its robustness and exceptional manageability of this kind of states. For the above reasons, this Thesis adopts a dual focus. Firstly, we delve into the generation of non-classical states of light through strong-field processes. These processes entail interactions between light and matter, where light intensities contend with the binding forces that keep electrons bound to their respective nuclei. Our exploration demonstrates the utility of strong-field phenomena in generating non-classical states of light, exhibiting intriguing features dependent on specific process dynamics and the materials involved in excitation. Secondly, we investigate the constraints and prerequisites of non-classical states of light sources --beyond those derived from the aforementioned strong-field processes-- for the advancement of quantum communication. In particular, we analyze quantum key distribution, aiming to create a secret key exclusively known by the communicating parties for encrypting and decrypting messages. Therefore, this Thesis can be understood as a zeroth step towards leveraging strong-field physics as a prospective tool for quantum information science applications, as well as an exploration about the advances and limitations of photonic-based setups for quantum key distribution. (Català) El començament del segle passat va ser el punt de partida de la primera revolució quàntica, un període caracteritzat per descobriments innovadors que van culminar amb l'establiment de la mecànica quàntica. Amb el pas del temps, aquests conceptes abstractes introduïts en aquesta nova branca de la física, van evolucionar cap a dispositius que s'han convertit en indispensables en el nostre dia a dia. Aquesta evolució tecnològica ha impulsat l'era en la qual vivim, centrada en l'intercanvi i l'adquisició d'informació, cimentant l'actual segona revolució quàntica. El seu objectiu és aprofitar la ciència de la informació quàntica, que utilitza les propietats de la mecànica quàntica per impulsar avanços en el processament de la informació, la comunicació i la computació, donant lloc a tecnologies quàntiques revolucionàries. Per l'avanç de les tecnologies quàntiques és primordial l'exploració dels ano-menats estats no clàssics, és a dir, manifestacions físiques que mostren comportaments diferents als predits per la física clàssica, i que requereixen la mecànica quàntica per a la seva explicació. La manipulació i generació d'aquests estats limita les capacitats de progrés de les tecnologies quàntiques. És, per tant, fonamental idear metodologies que tinguin com a objectiu generar i controlar estats no clàssics. En aquest context, el camp de la fotònica emergeix com una plataforma prometedora per la seva robustesa i excepcional maneig d'aquest tipus d'estats. En base als motius explicats anteriorment, aquesta Tesi adopta un enfocament dual. En primer lloc, ens endinsem en la generació d'estats no clàssics de la llum mitjançant processos que involucren camps intensos. Aquests processos involucren interaccions entre la llum i la matèria amb intensitats lluminoses capaces de competir amb les forces atòmiques que mantenen els electrons units als seus nuclis. El nostre anàlisi demostra la utilitat que aquests processos de camps intensos tenen sobre la generació d'estats no clàssics de la llum, els quals mostren característiques d'interès depenent dels processos particulars que tinguin lloc, així com de les característiques del material involucrat en l'excitació. En segon lloc, investiguem les limitacions i requisits de les fonts de llum generadores d'estats no clàssics, més enllà de les derivades de l'anàlisi de camps intensos, amb respecte als seus possibles avanços en el camp de la comunicació quàntica. En particular, analitzem la distribució quàntica de claus, amb l'objectiu de generar una clau secreta coneguda exclusivament per les parts comunicants per tal d'encriptar i desencriptar missatges. Així doncs, aquesta Tesi es pot entendre com un pas inicial per aprofitar la física de camps intensos com una eina potencial per a la ciència de la informació quàntica, així com una exploració sobre els avanços i limitacions de sistemes basats en la fotònica per a la criptografia quàntica. (Español) El comienzo del siglo pasado vio el inicio de la primera revolución cuántica, un periodo caracterizado por descubrimientos innovadores que culminaron en el establecimiento de la mecánica cuántica. Con el transcurso del tiempo, los conceptos abstractos introducidos en esta nueva rama de la Física, evolucionaron en dispositivos que se han tornado indispensables en nuestros quehaceres diarios. Esta evolución tecnológica ha impulsado la era en la que vivimos, centrada en el intercambio y la adquisición de información, sentando las bases de lo que ahora se denomina como la segunda revolución cúantica. El objetivo de ésta es la de aprovechar la ciencia de la información cuántica, que emplea las propiedades de la mecánica cuántica para impulsar avances en el procesamiento de información, la comunicación y la computación, dando lugar a tecnologías cuánticas revolucionarias. Troncal al avance de las tecnologías cuánticas, se encuentra la exploración de los denominados estados no clásicos, esto es, manifestaciones físicas que exhiben comportamientos diferentes a los predichos por la física clásica, y que requieren del marco de la mecánica cuántica para su explicación. La manipulación y generación de estos estados limita las capacidades de progreso de las tecnologías cuánticas. Es, por lo tanto, fundamental el idear metodologías cuyo fin sea el de generar y controlar estados no clásicos. En este contexto, el campo de la fotónica emerge como una plataforma prometedora debido a su robustez y excepcional manejo de los susodichos. Por estos motivos, esta Tesis adopta un foco dual. En primer lugar, nos adentramos en la generación de estados no clásicos de la luz por medio de procesos que involucran campos intensos. Este tipo de procesos conciernen interacciones entre luz y materia que involucran intensidades lumínicas capaces de competir con las fuerzas atómicas que mantienen los electrones unidos a sus núcleos. Nuestro análisis demuestra la utilidad que estos procesos de campos intensos tienen sobre la generación de estados no clásicos de la luz, los cuales exhiben características de interés dependiendo de las procesos particulares que tengan lugar, así como de las características del material involucrado en la excitación. En segundo lugar, investigamos las limitaciones y requisitos de las fuentes de luz generadoras de estados no clásicos, más allá de aquellas derivadas en el análisis de campos intensos, con respecto a sus posibles avances en el campo de la comunicación cuántica. En particular, analizamos la distribución cuántica de claves, cuyo objetivo es el de generar una clave secreta conocida exclusivamente por las partes comunicantes para encriptar y desencriptar mensajes. Por lo tanto, esta Tesis puede entenderse como un paso inicial para aprovechar la física de campos intensos como una herramienta potencial para la ciencia de la información cuántica, así como una exploración sobre los avances y limitaciones de sistemas basados en la fotónica para la distribución cuántica de claves.
(English) The dawn of the last century marked the onset of the first quantum revolution, a period characterized by groundbreaking discoveries culminating in the establishment of quantum mechanics. Over time, the abstract concepts introduced by this new branch of Physics, evolved into indispensable practical devices shaping our daily lives. This technological evolution spurred our actual era, centered around information exchange and acquisition, laying the foundation for what is now termed the second quantum revolution. This phase aims to leverage quantum information science, which harnesses quantum mechanics' properties to propel advancements in information processing, communication, and computation, leading to revolutionary quantum technologies. At the heart of advancing quantum technologies lies the exploration of what are known as non-classical states --physical manifestations exhibiting behaviors diverging from classical physics, necessitating the framework of quantum mechanics for explanation. Manipulating and generating these states delineates the frontier of progress in quantum technology. Therefore, it is crucial to devise methodologies for generating and controlling non-classical states. Photonics emerges as a promising platform within this context due to its robustness and exceptional manageability of this kind of states. For the above reasons, this Thesis adopts a dual focus. Firstly, we delve into the generation of non-classical states of light through strong-field processes. These processes entail interactions between light and matter, where light intensities contend with the binding forces that keep electrons bound to their respective nuclei. Our exploration demonstrates the utility of strong-field phenomena in generating non-classical states of light, exhibiting intriguing features dependent on specific process dynamics and the materials involved in excitation. Secondly, we investigate the constraints and prerequisites of non-classical states of light sources --beyond those derived from the aforementioned strong-field processes-- for the advancement of quantum communication. In particular, we analyze quantum key distribution, aiming to create a secret key exclusively known by the communicating parties for encrypting and decrypting messages. Therefore, this Thesis can be understood as a zeroth step towards leveraging strong-field physics as a prospective tool for quantum information science applications, as well as an exploration about the advances and limitations of photonic-based setups for quantum key distribution. (Català) El començament del segle passat va ser el punt de partida de la primera revolució quàntica, un període caracteritzat per descobriments innovadors que van culminar amb l'establiment de la mecànica quàntica. Amb el pas del temps, aquests conceptes abstractes introduïts en aquesta nova branca de la física, van evolucionar cap a dispositius que s'han convertit en indispensables en el nostre dia a dia. Aquesta evolució tecnològica ha impulsat l'era en la qual vivim, centrada en l'intercanvi i l'adquisició d'informació, cimentant l'actual segona revolució quàntica. El seu objectiu és aprofitar la ciència de la informació quàntica, que utilitza les propietats de la mecànica quàntica per impulsar avanços en el processament de la informació, la comunicació i la computació, donant lloc a tecnologies quàntiques revolucionàries. Per l'avanç de les tecnologies quàntiques és primordial l'exploració dels ano-menats estats no clàssics, és a dir, manifestacions físiques que mostren comportaments diferents als predits per la física clàssica, i que requereixen la mecànica quàntica per a la seva explicació. La manipulació i generació d'aquests estats limita les capacitats de progrés de les tecnologies quàntiques. És, per tant, fonamental idear metodologies que tinguin com a objectiu generar i controlar estats no clàssics. En aquest context, el camp de la fotònica emergeix com una plataforma prometedora per la seva robustesa i excepcional maneig d'aquest tipus d'estats. En base als motius explicats anteriorment, aquesta Tesi adopta un enfocament dual. En primer lloc, ens endinsem en la generació d'estats no clàssics de la llum mitjançant processos que involucren camps intensos. Aquests processos involucren interaccions entre la llum i la matèria amb intensitats lluminoses capaces de competir amb les forces atòmiques que mantenen els electrons units als seus nuclis. El nostre anàlisi demostra la utilitat que aquests processos de camps intensos tenen sobre la generació d'estats no clàssics de la llum, els quals mostren característiques d'interès depenent dels processos particulars que tinguin lloc, així com de les característiques del material involucrat en l'excitació. En segon lloc, investiguem les limitacions i requisits de les fonts de llum generadores d'estats no clàssics, més enllà de les derivades de l'anàlisi de camps intensos, amb respecte als seus possibles avanços en el camp de la comunicació quàntica. En particular, analitzem la distribució quàntica de claus, amb l'objectiu de generar una clau secreta coneguda exclusivament per les parts comunicants per tal d'encriptar i desencriptar missatges. Així doncs, aquesta Tesi es pot entendre com un pas inicial per aprofitar la física de camps intensos com una eina potencial per a la ciència de la informació quàntica, així com una exploració sobre els avanços i limitacions de sistemes basats en la fotònica per a la criptografia quàntica. (Español) El comienzo del siglo pasado vio el inicio de la primera revolución cuántica, un periodo caracterizado por descubrimientos innovadores que culminaron en el establecimiento de la mecánica cuántica. Con el transcurso del tiempo, los conceptos abstractos introducidos en esta nueva rama de la Física, evolucionaron en dispositivos que se han tornado indispensables en nuestros quehaceres diarios. Esta evolución tecnológica ha impulsado la era en la que vivimos, centrada en el intercambio y la adquisición de información, sentando las bases de lo que ahora se denomina como la segunda revolución cúantica. El objetivo de ésta es la de aprovechar la ciencia de la información cuántica, que emplea las propiedades de la mecánica cuántica para impulsar avances en el procesamiento de información, la comunicación y la computación, dando lugar a tecnologías cuánticas revolucionarias. Troncal al avance de las tecnologías cuánticas, se encuentra la exploración de los denominados estados no clásicos, esto es, manifestaciones físicas que exhiben comportamientos diferentes a los predichos por la física clásica, y que requieren del marco de la mecánica cuántica para su explicación. La manipulación y generación de estos estados limita las capacidades de progreso de las tecnologías cuánticas. Es, por lo tanto, fundamental el idear metodologías cuyo fin sea el de generar y controlar estados no clásicos. En este contexto, el campo de la fotónica emerge como una plataforma prometedora debido a su robustez y excepcional manejo de los susodichos. Por estos motivos, esta Tesis adopta un foco dual. En primer lugar, nos adentramos en la generación de estados no clásicos de la luz por medio de procesos que involucran campos intensos. Este tipo de procesos conciernen interacciones entre luz y materia que involucran intensidades lumínicas capaces de competir con las fuerzas atómicas que mantienen los electrones unidos a sus núcleos. Nuestro análisis demuestra la utilidad que estos procesos de campos intensos tienen sobre la generación de estados no clásicos de la luz, los cuales exhiben características de interés dependiendo de las procesos particulares que tengan lugar, así como de las características del material involucrado en la excitación. En segundo lugar, investigamos las limitaciones y requisitos de las fuentes de luz generadoras de estados no clásicos, más allá de aquellas derivadas en el análisis de campos intensos, con respecto a sus posibles avances en el campo de la comunicación cuántica. En particular, analizamos la distribución cuántica de claves, cuyo objetivo es el de generar una clave secreta conocida exclusivamente por las partes comunicantes para encriptar y desencriptar mensajes. Por lo tanto, esta Tesis puede entenderse como un paso inicial para aprovechar la física de campos intensos como una herramienta potencial para la ciencia de la información cuántica, así como una exploración sobre los avances y limitaciones de sistemas basados en la fotónica para la distribución cuántica de claves.
(English) Photons and Information are notions indispensable for modern quantum technologies, and their interplay provides the foundation of understanding the quantum nature of light. In particular, photons are robust information carrier and substantiate the inherent discreteness of the electromagnetic radiation field. The information of photons, and their intrinsic quantum fluctuations, are manifested in the measurement of correlation functions of the field. Central to the understanding of photon fluctuations is the quantum theory of optical coherence, and the photon signature can reveal itself in different properties. Furthermore, the measurement of correlations is needed from an information theoretic perspective to distinguish classical from quantum signatures. These concepts ultimately lead to the original goal of the present Thesis: How can we understand the notion of photons and information in a modern strong field quantum optics perspective? Strong field quantum optics aims for the generation, characterization and the control of quantum light, beyond the conventional wisdom of strong field physics. In the traditional approach to strong field phenomena, in particular the photon up-conversion process of high-order harmonic generation, the field was merely treated classically. And hence, the notion of the photon could not exist in such descriptions. However, recent advances in the field of strong field quantum optics have revealed new signatures unaccountable by classical theory. This includes the generation of genuine non-classical states of light from strong field phenomena, revealing the intrinsic entanglement between all field modes in the process of high-order harmonic generation, or finding quantum signatures in the photon emission process itself via photon anti-bunching. In this Thesis, we reveal all such properties of the generated light field, and establish the underlying theories for the description of these phenomena. This includes the development of the quantum theory of optical coherence for high-order harmonic generation, as well as introducing new quantum information theoretic perspectives to strong field quantum optics. Therefore, the work presented in this Thesis provides the foundation for the modern formulation of quantum optical phenomena in strong field physics. (Català) Els fotons i la informació són nocions indispensables per a les tecnologies quàntiques modernes, i la seva interacció proporciona la base per entendre la naturalesa quàntica de la llum. En particular, els fotons són portadors d'informació robustos i fonamenten la discretització inherent del camp de radiació electromagnètica. La informació dels fotons, i les seves fluctuacions quàntiques intrínseques, es manifesten en la mesura de les funcions de correlació del camp. La teoria quàntica de la coherència òptica és fonamental per entendre les fluctuacions dels fotons, i la signatura dels fotons es pot revelar en diferents propietats. A més, la mesura de correlacions és necessària des d'una perspectiva teòrica de la informació per distingir les signatures clàssiques de les quàntiques. Aquests conceptes condueixen finalment a l'objectiu original de la present Tesi: Com podem entendre la noció de fotons i informació des d'una perspectiva moderna de l'òptica quàntica de camps forts? L'òptica quàntica de camps forts té com a objectiu la generació, la caracterització i el control de la llum quàntica, més enllà del coneixement convencional de la física de camps forts. En l'enfocament tradicional dels fenòmens de camps forts, en particular el procés de conversió ascendent de fotons de la generació d'harmònics d'alt ordre, el camp es tractava merament de manera clàssica. I, per tant, la noció de fotó no podia existir en aquestes descripcions. No obstant això, els avenços recents en el camp de l'òptica quàntica de camps forts han revelat noves signatures inexplicables amb la teoria clàssica. Això inclou la generació d'estats de llum genuïnament no clàssics a partir de fenòmens de camps forts, revelant l'entrellaçament intrínsec entre tots els modes de camp en el procés de generació d'harmònics d'alt ordre, o la troballa de signatures quàntiques en el mateix procés d'emissió de fotons mitjançant l'antigrupament de fotons. En aquesta tesi, revelem totes aquestes propietats del camp de llum generat i establim les teories subjacents per a la descripció d'aquests fenòmens. Això inclou el desenvolupament de la teoria quàntica de la coherència òptica per a la generació d'harmònics d'alt ordre, així com la introducció de noves perspectives de teoria de la informació quàntica a l'òptica quàntica de camps forts. Per tant, el treball presentat en aquesta tesi proporciona la base per a la formulació moderna dels fenòmens òptics quàntics en la física de camps forts. (Español) Los fotones y la información son conceptos indispensables para las tecnologías cuánticas modernas, y su mutua influencia proporciona la base para comprender la naturaleza cuántica de la luz. En particular, los fotones son portadores de información robustos y justifican la discreción inherente al campo electromagnética. La información de los fotones y sus fluctuaciones cuánticas intrínsecas se manifiestan en la medición de las funciones de correlación del campo. La teoría cuántica de la coherencia óptica es fundamental para comprender las fluctuaciones de los fotones, y la huella de los fotones puede manifestarse en diferentes propiedades. Además, la medición de las correlaciones es necesaria desde una perspectiva de la teoría de la información para distinguir entre firmas clásicas de las cuánticas. Estos conceptos conducen en última instancia al objetivo original de la presente tesis: ¿Cómo podemos entender el concepto de fotones e información desde la perspectiva moderna de la óptica cuántica de campos intensos? La óptica cuántica de campos intensos tiene como objetivo la generación, caracterización y control de la luz cuántica, más allá de los conocimientos convencionales de su análisis semiclásico. En el enfoque tradicional de los fenómenos de campo intenso, en concreto el proceso de el proceso de generación de fotones en armónicos de alto orden, el campo se trataba simplemente de forma clásica. En consequencia, la noción de fotón no podía existir en tales descripciones. Sin embargo, avances recientes en el campo de la óptica cuántica de campo fuerte han revelado nuevas características que no pueden explicarse mediante la teoría clásica. Entre ellas se incluyen la generación de estados de luz genuinamente no clásicos a partir de fenómenos de campo intenso, la evidencia del entrelazamiento intrínseco entre todos los modos del campo en el proceso de generación de armónicos de alto orden, o el hallazgo de características cuánticas en el propio proceso de emisión de fotones mediante antiagrupamiento. En esta tesis, revelamos todas estas propiedades del campo de luz generado y establecemos las teorías subyacentes para describir de estos fenómenos. Esto incluye el desarrollo de la teoría cuántica de la coherencia óptica para la generación de armónicos de alto orden, así como la introducción de nuevas perspectivas de la teoría de la información cuántica en la óptica cuántica de campos fuertes. Por lo tanto, el trabajo presentado en esta tesis proporciona la base para la formulación moderna de los fenómenos óptico cuánticos en la física de campos intensos.
Strong-laser-field physics is a research direction that relies on the use of high-power lasers and has led to fascinating achievements ranging from relativistic particle acceleration to attosecond science. On the other hand, quantum optics has been built on the use of low photon number sources and has opened the way for groundbreaking discoveries in quantum technology, advancing investigations ranging from fundamental tests of quantum theory to quantum information processing. Despite the tremendous progress, until recently these directions have remained disconnected. This is because the majority of the interactions in the strong-field limit have been successfully described by semi-classical approximations treating the electromagnetic field classically, as there was no need to include the quantum properties of the field to explain the observations. The link between strong-laser-field physics, quantum optics, and quantum information science has been developed in the recent past. Studies based on fully quantized and conditioning approaches have shown that intense laser-matter interactions can be used for the generation of controllable entangled and non-classical light states. These achievements open the way for a vast number of investigations stemming from the symbiosis of strong-laser-field physics, quantum optics, and quantum information science. Here, after an introduction to the fundamentals of these research directions, we report on the recent progress in the fully quantized description of intense laser-matter interaction and the methods that have been developed for the generation of non-classical light states and entangled states. Also, we discuss the future directions of non-classical light engineering using strong laser fields, and the potential applications in ultrafast and quantum information science.
(English) The advent of quantum mechanics, which predicted strange, counter-intuitive effects and phenomena, that could not be mimicked by classical physical theories, revolutionized the scope and understanding of physics research back in the XIX century. As time passed, and quantum theory became better understood, a shift of paradigm occurred: what used to be solely an object of investigation and analysis became also a tool, as it was realized that the extraordinary, exotic features of systems working in the quantum regime could also be harnessed as resources that could be used to our benefit in different tasks. This shift of paradigm marked the beginning of a Second Quantum Revolution, which was characterized by the rise of the Quantum Information Science and Technologies. Central quantum resources such as quantum correlations, including entanglement, and also non-classicality and non-Gaussianity, were shown to be useful for data processing tasks such as communication, computation and parameter estimation, to name a few. In this thesis, we dive into the field of parameter estimation, or Metrology, and discuss the role of physical correations on the precision of the information retrieval of variables encoded in physical systems. We begin by exploring the role of a specific kind of correlations, those that arise indirectly between quantum probes via the interaction with a common environment, in the retrieval of temperature information of a cold bosonic bath. We then analyse the role of restricting the measurement choice of the probes to a limited set, that of Gaussian measurements, and show their usefulness in characterizing the temperature of Gaussian systems. Finally, we go beyond the scope of the field of Metrology and Thermometry, and look for effective ways to certify the presence of a number of relevant quantum resources in states produced by third order light-matter interaction, also known as three photon generation. There, we show that correctly tailored quantum witnesses can effectively certify the presence of quantum phenomena with no classical analog in photonic nonlinear processes. (Català) L'arribada de la mecànica quàntica, que va predir efectes i fenòmens estranys i contraintuïtius, que no podien ser imitats per les teories físiques clàssiques, va revolucionar l'abast i la comprensió de la investigació física al segle XIX. A mesura que passava el temps i la teoria quàntica es va entendre millor, es va produir un canvi de paradigma: el que abans era només un objecte d'investigació i anàlisi es va convertir també en una eina, ja que es va adonar que les característiques extraordinàries i exòtiques dels sistemes que treballaven en règim quàntic també es podrien aprofitar com a recursos que es podrien utilitzar en el nostre benefici en diferents tasques. Aquest canvi de paradigma va marcar l'inici d'una segona revolució quàntica, que es va caracteritzar per l'auge de la ciència i les tecnologies de la informació quàntica. Els recursos quàntics centrals, com ara les correlacions quàntiques, inclòs l'entrellat, i també la no-classicitat i la no gaussianitat, van demostrar ser útils per a tasques de processament de dades com la comunicació, la computació i l'estimació de paràmetres, per citar-ne algunes. En aquesta tesi, ens submergim en el camp de l'estimació de paràmetres, o Metrologia, i discutim el paper de les correccions físiques en la precisió de la recuperació d'informació de variables codificades en sistemes físics. Comencem explorant el paper d'un tipus específic de correlacions, les que sorgeixen indirectament entre sondes quàntiques mitjançant la interacció amb un entorn comú, en la recuperació d'informació de temperatura d'un bany bosònic fred. A continuació, analitzem el paper de restringir l'elecció de mesura de les sondes a un conjunt limitat, el de mesures gaussianes, i mostrem la seva utilitat per caracteritzar la temperatura dels sistemes gaussians. Finalment, anem més enllà de l'àmbit de la metrologia i la termometria, i busquem maneres efectives de certificar la presència d'una sèrie de recursos quàntics rellevants en estats produïts per la interacció llum-matèria de tercer ordre, també coneguda com a generació de tres fotons. Allà, mostrem que els testimonis quàntics adaptats correctament poden certificar eficaçment la presència de fenòmens quàntics sense anàlegs clàssics en processos fotònics no lineals. (Español) La llegada de la mecánica cuántica, que predijo efectos y fenómenos raros y contrarios a la intuición que no podían ser imitados por las teorías físicas clásicas, revolucionó el alcance y la comprensión de la investigación en física cuando se descubrieron sus primeras huellas en el siglo XIX. Con el paso del tiempo, y a medida que la teoría cuántica se fue comprendiendo mejor, ocurrió un cambio de paradigma: lo que solía ser únicamente un objeto de investigación y análisis se convirtió también en una herramienta, al darse cuenta de que las características extraordinarias y exóticas de los sistemas que funcionan en el régimen cuántico también podrían aprovecharse como recursos que pueden beneficiarnos en diferentes protocolos. Este cambio de paradigma marcó el comienzo de una Segunda Revolución Cuántica, caracterizada por el surgimiento del campo de investigación de la Teoría de la Información Cuántica. Se demostró que recursos cuánticos centrales como las correlaciones cuánticas, incluido el entrelazamiento, y también la no clasicidad y la no gaussianidad, resultaban útiles para tareas de procesamiento de datos como la comunicación, la computación y la estimación de parámetros, por nombrar algunas. En esta tesis, nos adentramos en el campo de la estimación de parámetros, o Metrología, y discutimos el papel de las correlaciones físicas en la precisión de la recuperación de información de variables codificadas en sistemas físicos. Comenzamos explorando el papel metrológico de un tipo específico de correlaciones, aquellas que surgen indirectamente entre sondas cuánticas a través de la interacción con un entorno común, en la recuperación de información de temperatura de un "bosonic bath" frío. Luego analizamos el papel de restringir la elección de medición de las sondas a un conjunto limitado, el de las mediciones gaussianas, y mostramos su utilidad para caracterizar la temperatura de los sistemas gaussianos. Finalmente, vamos más allá del ámbito de la Metrología y la Termometría y buscamos formas efectivas de certificar la presencia de una serie de recursos cuánticos relevantes en estados producidos por la interacción luz-materia de tercer orden, también conocida como generación de tres fotones.Allí, mostramos que los testigos cuánticos correctamente adaptados pueden certificar eficazmente la presencia de un entrelazamiento multipartito genuino en la generación de tripletes no degenerados, y de una serie de recursos cuánticos monomodo en la versión degenerada del proceso.
Abstract Non-classical and entangled light states are of fundamental interest in quantum mechanics and they are a powerful tool for the emergence of new quantum technologies. The development of methods that can lead to the generation of such light states is therefore of high importance. Recently, it has been demonstrated that intense laser-matter interactions can serve towards this direction. Specifically, it has been shown how the use of fully quantized approaches in intense laser-matter interactions and the process of high harmonic generation, can lead to the generation of high photon-number non-classical and entangled states from the far-infrared to the extreme-ultraviolet. Here, after a brief introduction on the fundamentals, we summarize the operation principles of these approaches and discuss the recent developments and future directions of non-classical light engineering using strong light fields with the potential application in ultrafast and quantum information science. These findings represent an important step in the development of novel quantum nonlinear spectroscopy methods, based on the interplay between the quantum properties of light and those of quantum matter.
(English) Cold atom platforms have become central to quantum technologies such as information processing, simulation, and metrology. Their versatility and high degree of control make them especially powerful. A key breakthrough in the field was the ability to trap individual atoms using light. Far-off-resonant optical dipole traps—like optical tweezers and lattices—enable precise positioning of atoms in diverse geometries, from simple 2D arrays to complex 3D structures. Another major advantage of cold atoms is their ability to mediate interactions between photons, which do not naturally interact in free space. Cold atomic ensembles act as a nonlinear medium, enabling strong interactions even at the two-photon level. Using collective atom-photon coupling and Rydberg-state excitations, they allow for photon-photon gates and the creation of non-classical states of light. These two features—strong optical nonlinearities and precise atomic positioning—make cold atoms a leading platform for quantum networks, quantum simulations, and studies of light-matter interaction. A phenomenon common to both platforms is photon scattering, which can either be of an intended or unintended nature. Up until recently, simple theories of scattering were sufficient for the community. However, the advance of atomic platforms now requires more nuanced and sophisticated theories to understand scattering and their consequences on applications. This constitutes the main theme of the thesis. In the application of atom trapping, in many practical situations atoms may experience state-dependent potentials. The potential mismatch can lead to excess heating and reduced elastic scattering of light, as compared to well-known limits like an atom in “magic-wavelength” traps or a trapped ion. In the first part of the thesis, we develop a model to analyze these effects, which can have important consequences in quantum optics or in atom imaging. In the second part of the thesis, we investigate how Rydberg spin waves decohere in the presence of light scattering, within the context of Rydberg Electromagnetically Induced Transparency (EIT). Within Rydberg EIT, an initial photon is stored as a coherent, extended superposition across atoms. This initial photon can strongly modify the propagation of subsequent photons, leading to large nonlinearities, but the scattering of subsequent photons can reveal information about where the first photon was stored, leading to decoherence of the initial superposition state. This in turn can lead to decreased utility or ability to retrieve the first photon. Here, we elucidate the nature of decoherence, and in particular for the first time we take fully into account the three-dimensional nature of the ensemble and its multiple scattering of light. We find regimes in which multiple scattering might offer additional protection from decoherence, as compared to previous simplified theories. Overall, this thesis makes new advances in understanding the nature of microscopic atom-light interactions and scattering, and connects this fundamental physics to key consequences in real-life applications. (Català) Les plataformes d’àtoms freds s’han situat al centre de les tecnologies quàntiques com ara el processament d’informació, la simulació i la metrologia. La seva versatilitat i el seu alt grau de control les fan especialment potents. Un dels avenços clau en aquest camp ha estat la capacitat de capturar àtoms individuals mitjançant llum. Les trampes òptiques dipolars fora de ressonància —com les pinces òptiques i les xarxes òptiques (lattices)— permeten posicionar àtoms amb gran precisió en una varietat de geometries, des d’arranjaments bidimensionals senzills fins a estructures tridimensionals complexes. Un altre gran avantatge dels àtoms freds és la seva capacitat de mediar interaccions entre fotons, que de manera natural no interaccionen en l’espai lliure. Els conjunts d’àtoms freds actuen com un medi no lineal, possibilitant interaccions fortes fins i tot a nivell d’un sol fotó. Mitjançant l’acoblament col·lectiu entre àtoms i fotons i les excitacions als estats de Rydberg, es poden implementar portes fotòniques i generar estats no clàssics de la llum. Aquestes dues característiques —no linealitats òptiques fortes i posicionament atòmic precís— fan dels àtoms freds una plataforma capdavantera per a xarxes quàntiques, simulacions quàntiques i l’estudi de la interacció llum-matèria. Un fenomen comú tant en les tècniques de captura d’àtoms com en l’òptica no lineal quàntica és la dispersió de fotons, que pot ser desitjada o no. Fins fa poc, les teories simples de dispersió eren suficients per a la comunitat. No obstant això, el desenvolupament de plataformes atòmiques més sofisticades exigeix teories més matisades i elaborades per entendre la dispersió i les seves conseqüències en les aplicacions. Aquest és el tema principal de la tesi. En el context de la captura d’àtoms, en moltes situacions pràctiques els àtoms poden experimentar potencials dependents de l’estat intern. Aquesta discrepància dels potencials pot generar escalfament excessiu i una reducció de la dispersió elàstica de la llum, en comparació amb límits ben coneguts com els que es troben en trampes de “longitud d’ona màgica” o en ions atrapats. En la primera part de la tesi, desenvolupem un model per analitzar aquests efectes, que tenen implicacions importants en òptica quàntica o en la imatge d’àtoms. En la segona part de la tesi, investiguem la decoherència en les ones d’espín de Rydberg en presència de la dispersió de la llum, en el context de la Transparència Induïda Electromagnèticament (EIT) amb Rydberg. En aquest esquema, un fotó inicial s’emmagatzema com una superposició coherent i estesa entre àtoms. Aquest fotó pot modificar fortament la propagació dels fotons posteriors, produint grans no linealitats, però la dispersió d’aquests fotons pot revelar informació sobre la localització del primer fotó, provocant la descoherència de l’estat de superposició inicial. Aquest és un mechanisme que pot reduir la possibilitat de recuperar el primer fotó. En aquest treball, es detalla la naturalesa d’aquesta descoherència, i per primera vegada es té en compte de manera completa la naturalesa tridimensional del conjunt atòmic i la dispersió múltiple de la llum. Identifiquem règims en què la dispersió múltiple pot oferir una protecció addicional contra la descoherència, en contrast amb les teories simplificades anteriors. En conjunt, aquesta tesi aporta nous avenços en la comprensió de les interaccions microscòpiques entre àtoms i llum, i connecta aquesta física fonamental amb conseqüències rellevants en aplicacions del món real. (Español) Las plataformas de átomos fríos se han vuelto centrales en tecnologías cuánticas como el procesamiento de información, la simulación y la metrología. Su versatilidad y alto grado de control las hacen especialmente poderosas. Un avance clave en el campo fue la capacidad de atrapar átomos individuales utilizando luz. Las trampas ópticas dipolares fuera de resonancia —como las pinzas ópticas y los arreglos en red (lattices)— permiten posicionar átomos con precisión en geometrías diversas, desde simples arreglos 2D hasta estructuras complejas en 3D. Otra gran ventaja de los átomos fríos es su capacidad para mediar interacciones entre fotones, los cuales no interactúan de forma natural en el espacio libre. Los conjuntos atómicos fríos actúan como un medio no lineal, permitiendo interacciones fuertes incluso a nivel de un solo fotón. Mediante el acoplamiento colectivo átomo-fotón y las excitaciones a estados de Rydberg, se hacen posibles compuertas entre fotones y la creación de estados no clásicos de luz. Estas dos características —no linealidades ópticas fuertes y posicionamiento atómico preciso— hacen de los átomos fríos una plataforma líder para redes cuánticas, simulaciones cuánticas y estudios de la interacción luz-materia. Un fenómeno común tanto en las herramientas de atrapamiento atómico como en la óptica no lineal cuántica es la dispersión de fotones, que puede ser intencionada o no. Hasta hace poco, teorías simples de dispersión eran suficientes para la comunidad. Sin embargo, el avance de las plataformas atómicas ahora requiere teorías más matizadas y sofisticadas para entender la dispersión y sus consecuencias en diversas aplicaciones. Este constituye el tema principal de la tesis. En la aplicación del atrapamiento atómico, en muchas situaciones prácticas los átomos pueden experimentar potenciales dependientes del estado interno. Esta diferencia de los potenciales puede conducir a un calentamiento excesivo y a una reducción de la dispersión elástica de la luz, en comparación con límites bien conocidos como los que se dan en trampas de “longitud de onda mágica” o en iones atrapados. En la primera parte de la tesis, desarrollamos un modelo para analizar estos efectos, los cuales pueden tener consecuencias importantes en óptica cuántica o en la imagen de átomos. En la segunda parte de la tesis, investigamos la decoheréncia de las ondas de espín de Rydberg en presencia de a dispersión de la luz, dentro del contexto de Transparencia Inducida por Electromagnetismo (EIT) con Rydberg. En este esquema, un fotón inicial se almacena como una superposición coherente y extendida entre átomos. Este fotón inicial puede modificar fuertemente la propagación de fotones posteriores, dando lugar a grandes no linealidades, pero la dispersión de esos fotones posteriores puede revelar información sobre dónde fue almacenado el primer fotón, causando la descoherencia de la superposición inicial. Esto a su vez puede reducir la utilidad o la capacidad de recuperar ese primer fotón. En este trabajo, elucidamos la naturaleza de esta descoherencia, y en particular, por primera vez consideramos plenamente la naturaleza tridimensional del conjunto atómico y la dispersión múltiple de
Non-classical and entangled light states are of fundamental interest in quantum mechanics and they are a powerful tool for the emergence of new quantum technologies. The development of methods that can lead to the generation of such light states is therefore of high importance. Recently, it has been demonstrated that intense laser-matter interactions can serve towards this direction. Specifically, it has been shown how the use of fully quantized approaches in intense laser-matter interactions and the process of high harmonic generation, can lead to the generation of high photon-number non-classical and entangled states from the far-infrared (IR) to the extreme-ultraviolet (XUV). Here, after a brief introduction on the fundamentals, we summarize the operation principles of these approaches and discuss the recent developments and future directions of non-classical light engineering using strong light fields with the potential application in ultrafast and quantum information science. These findings represent an important step in the development of novel quantum nonlinear spectroscopy methods, based on the interplay between the quantum properties of light and those of quantum matter.