En este trabajo se presenta el diseño, construcción y caracterización de una trampa lineal de Paul para el confinamiento de iones mediante un campo electrodinámico, optimizada para disminuir la micromoción y poder atrapar y enfriar cadenas que van desde un único ion hasta cristales compuestos de varias decenas de iones. Se describen los parámetros requeridos para atrapar, enfriar y controlar distintos isótopos de iterbio, incluyendo técnicas de preparación y discriminación de estados, así como las soluciones a problemas experimentales que permiten realizar espectroscopía coherente y estudiar la posible interacción con haces estructurados. El sistema requiere no solo el confinamiento eléctrico, sino también un conjunto de láseres, campos magnéticos y micro-ondas. El enfriamiento se logra mediante enfriado Doppler en la transición 2S1/2 → 2P1/2, cuya fluorescencia permite visualizar los iones. Se emplea un sistema de control basado en FPGA, que permite la sincronización precisa entre distintos instrumentos, para llevar a cabo experimentos pulsados en el orden de los micro-segundos. Todos los elementos experimentales desarrollados son presentados y discutidos en este trabajo. La trampa muestra un desempeño consistente con las simulaciones y las diferencias encontradas se explican por las tolerancias de fabricación, corregibles gracias a la versatilidad del diseño. El sistema de atrapado final es robusto y se presentan los resultados de oscilaciones coherentes medidas, dando lugar a futuras caracterizaciones que permitirán evaluar con mayor precisión, la micromoción presente en el centro de la trampa.
En este trabajo se presenta el diseño, construcción y caracterización de una trampa lineal de Paul para el confinamiento de iones mediante un campo electrodinámico, optimizada para disminuir la micromoción y poder atrapar y enfriar cadenas que van desde un único ion hasta cristales compuestos de varias decenas de iones. Se describen los parámetros requeridos para atrapar, enfriar y controlar distintos isótopos de iterbio, incluyendo técnicas de preparación y discriminación de estados, así como las soluciones a problemas experimentales que permiten realizar espectroscopía coherente y estudiar la posible interacción con haces estructurados. El sistema requiere no solo el confinamiento eléctrico, sino también un conjunto de láseres, campos magnéticos y micro-ondas. El enfriamiento se logra mediante enfriado Doppler en la transición 2S1/2 → 2P1/2, cuya fluorescencia permite visualizar los iones. Se emplea un sistema de control basado en FPGA, que permite la sincronización precisa entre distintos instrumentos, para llevar a cabo experimentos pulsados en el orden de los micro-segundos. Todos los elementos experimentales desarrollados son presentados y discutidos en este trabajo. La trampa muestra un desempeño consistente con las simulaciones y las diferencias encontradas se explican por las tolerancias de fabricación, corregibles gracias a la versatilidad del diseño. El sistema de atrapado final es robusto y se presentan los resultados de oscilaciones coherentes medidas, dando lugar a futuras caracterizaciones que permitirán evaluar con mayor precisión, la micromoción presente en el centro de la trampa.
El estudio de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos es un area de investigacion activa. Este tipo de sistema permite fundamental estudios sobre la medicion en el contexto de las variables continuas, en entrelazamiento colectiva y en las simulaciones cuanticas. Este campo de la investigacion tambien es interesante en el contexto de la metrologia cuantica, comunicacion cuantica y la computacion cuantica. En esta tesis dos aspectos complementarios de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos han sido estudiados con iones atrapados y atomos neutros frios. El experimento de iones atrapados pretende evaluar la posibilidad de utilizar grandes nubes de iones para la realizacion de una memoria cuantica con largo tiempo de coherencia. En vez de que el experimento de atomos frios se centro en el uso de medidas de no demolicion cuantica para evaluar estados no gaussianos. Este experimento es parecido a los experimentos de comunicacion cuantica que se desarrollan actualmente. Los iones atrapados enfriados por laser pueden llegar a una fase cristalina debido a la fuerte repulsion de Coulomb entre los iones. En esta fase, las relativas posiciones entre los iones se fijan de manera a evitar las colisiones y los iones que exploran inhomogeneidades del campo magnetico que puede ser una fuente de perdida de coherencia. Con bajo numero de iones, largos tiempos de coherencia han sido demostrados. Con iones numerosos, el mecanismo de captura puede inducir un calentamiento de la nube de iones, haciendo asi mas dificil de obtener el regimen cristalizado. Durante esta tesis, los cristales de Coulomb grandes que contiene mas de 106 iones se han obtenidos y la prueba de la transparencia inducida electromagneticamente en tal sistema ha sido obtenida. Este estudio tambien revelo las limitaciones de este tipo de sistemas que tienen que ser estudiado mas a fondo para obtener una fuerte probabilidad de interaccion con conjuntos de iones frios en un regimen permitiendo largos tiempos de coherencia. Los sistemas de atomos neutros permiten fuertes probabilidades de acoplamiento luz materia, pero generalmente reduce los tiempos de coherencia. Memorias cuanticas, el entrelazamiento entre atomos y la luz, magnetometria de alta precision han sido demostrados en experimentos relacionados con vapores atomicos neutros. El sistema utilizado en esta tesis se ha disenado para permitir que la probabilidad de acoplamiento luz materia sea importante, con pulsos de luz polarizada, lo que permite medir con precision el estado de espin del sistema atomico sin destruccion y con bajo ruido. La medicion del ruido del sistema es mas baja que el ruido atomico, lo que podria inducir el entrelazamiento colectivo de los espines atomicos (a traves del squeezing de espines inducido por la medicion) y mediciones de campo magnetico ultra sensibles. Este sistema esta estrechamente relacionado con sistemas disenados para la creacion de comunicacion cuantica y memorias cuanticas. Los estados atomicos no gaussianos constituyen un recurso para la computacion cuantica y la comunicacion cuantica, en el contexto de los experimentos de fisica atomica, su deteccion puede ser dificil. El trabajo presentado en esta tesis se centra en la deteccion de los estados no gaussianos en conjuntos atomicos utilizando cumulants, y en particular el ruido relacionado con la medicion de los cumulants.
Debido al caracter dual que presenta la materia, esta se puede comportar como un corpusculo o una onda, lo cual permite que bajo una serie de condiciones el caracter dominante sea el ondulatorio y la materia se comporte como una onda, onda de materia. Aqui radica la base de la Optica Atomica en la que luz y materia intercambian sus papeles. A diferencia de la Optica Clasica en la que la luz es el objeto propagante y la materia es empleada para guiar los haces luminicos, en la Optica Atomica la luz se emplea para modificar el estado interno de los atomos (materia) que son el objeto propagante. Gracias a la estructura interna que poseen los atomos se ganan nuevos grados de libertad internos respecto a la Optica Clasica, ofreciendo asi nuevas posibilidades. De esta forma los atomos no solo se pueden propagar, tambien pueden ser almacenados en trampas opticas, enfriados a temperaturas ultrafrias dando lugar a nuevos estados de la materia, pueden ser controlados con una gran precision, ... La presente Tesis estudia la dinamica de las ondas de materia y en particular los denominados efectos transitorios cuanticos, caracteristicas temporales que presentan las ondas de materia antes de alcanzar un estado estacionario. Ademas se analizara la dinamica de las ondas de materia en guias de onda laser, proponiendose esta configuracion como diodo atomico (dispositivo que consigue que los atomos viajen en un unico sentido independientemente de su movimiento inicial) y como simulador de reacciones quimicas colineales de 3 cuerpos. Finalmente se propondran diversas tecnicas (atajos a la adiabaticidad) para una rapida manipulacion de las ondas de materia sin alterar sus propiedades cuanticas.
La presente tesis se enmarca dentro de los campos de la Optica Cuantica y la Optica Atomica, mas especificamente en el area de atomos frios y su control y manipulacion mediante laseres. En estas ultimas decadas, estos campos han experimentado un enorme desarrollo, debido principalmente a las nuevas tecnicas que permiten el control y manipulacion de atomos. Estas tecnicas han abierto el campo de las interacciones luz - materia a estudios sobre nuevos efectos y nuevos estados de la materia como el condensado Bose-Einstein o el gas de Tonks-Girardeau.
Esta tesis esta dividida en tres partes. La primera parte estudia iones atrapados y su interaccion con laseres. Los iones quedan atrapados mediante diferentes combinaciones de campos electromagneticos, y pueden ser manipulados y controlados individualmente mediante laseres. En esta primera parte se presenta una generalizacion del concepto de sideband transitions o transiciones de banda lateral, valida para laseres de intensidad y desintonia arbitrarios. Tambien en esta primera parte de la Tesis se estudian los diferentes corrimientos de frecuencia observados en el espectro energetico de un ion atrapado iluminado con un laser.
La segunda parte esta dedicada a mostrar efectos interesantes que se producen en interferometria atomica debido al movimiento cuantico. El uso de atomos en interferometria en lugar de fotones presenta algunas ventajas. Los atomos interaccionan fuertemente con campos electromagneticos debido a su estructura interna, de forma que pueden ser manipulados y controlados de forma muy precisa. Ademas, el hecho de tener masa no nula, permite el estudio de fuerzas gravitacionales. Los efectos debidos al movimiento cuantico se estudian en un interferometro atomico de Mach-Zender, y tambien se estudia la interferometria Ramsey, mostrando que las franjas de interferencia se pueden hacer mas estrechas si los dos campos tienen frecuencias distintas y se controla su diferencia de fase.
Finalmente, la tercera parte trata algunos aspectos novedosos del Efecto Zeno Cuantico. Se comparan medidas pulsadas y continuas en un sistema optico-quantico simple, generalizando resultados anteriores.
En el ultimo capitulo de esta fase se exploran diferentes formas de controlar y manipular el decaimiento exponencial inducido por mediciones frecuentes en sistemas optico-quantico simples. Se examinan la influencia de diferentes factores como la influencia del estado inicial del atomo o el efecto de los terminos contr-rotantes cuando no se aplica la Aproximacion de Onda Rotante o Rotating Wave Approximation (RWA). En particular, a pesar de que los efectos Zeno y anti-Zeno cuanticos estan asociados a dependencias cuadraticas de la probabilidad de supervivencia, se encuentra un efecto anti-Zeno para dependencias lineales de la misma escogiendo adecuadamente el estado inicial y los parametros del laser.
En este trabajo proponemos un método para controlar de una manera extremadamente simple el estado de un sistema cuántico. La estrategia de control está basada en el modelo de Landau-Zener y consiste esencialmente en emplear los cruces evitados para alcanzar diferentes niveles de energía y en recorrer lentamente las curvas adiabáticas del espectro,hasta arribar al estado deseado. La simpleza del método proviene de suponer que el sistema se comporta localmente, cerca de cada anticruce, como un sistema de dos niveles de Landau-Zener. Sin embargo, mediante simulaciones numéricas en diferentes sistemas realistas comprobamos que nuestra estrategia de control posee una eficiencia sorprendente. Las primeras aplicaciones numéricas fueron realizadas en un sistema de dos puntos cuánticos acoplados con dos electrones intearactuantes en su interior. Empleando un campo eléctrico externo como parámetro de control y partiendo del estado fundamental a campo E /0, logramos localizar ambos electrones en un mismo punto cuántico, construir estados entrelazados, recorrer en forma eficiente caminos complejos en el espectro para conectar niveles de energía lejanos y construir superposiciones coherentes de varios autoestados. El método tambié fue aplicado en otro sistema muy diferente al anterior, la molécula de LiCN. Nuevamente pudimos controlar exitosamente el estado del sistema y además encontramos una solución al problema de isomerizar la molécula. Para ello también empleamos como parámetro de control un campo eléctrico externo. De esta manera mostramos que nuestro método puede ser aplicado eficientemente en diferentes sistemas complejos y creemos que posee un importante potencial en el campo del control coherente.
La presente tesis describe operaciones elementales en el control dinamico de gases ultrafrios confinados en guias de ondas angostas. En una primera parte de la tesis se presenta una teoria que describe con exito la dinamica de laseres atomicos guiados, que son los analogos materiales de los laseres convencionales. Para tales sistemas se predice la aparicion de la difraccion en el tiempo que gozando de un gran interes desde un punto de vista fundamental, resulta un inconveniente para las aplicaciones en litografia. La resolucion de esta confrontacion es solventada describiendo como el encendido suave de un laser atomico permite estabilizar su perfil de densidad durante un intervalo de tiempo controlable. Una segunda parte de la tesis ataca problemas abiertos en la dinamica de muchos cuerpos cuya resolucion por el autor ha sido reconocida ya por la comunidad cientifica internacional. Explotando la dualidad de Bose-Fermi exclusiva de los gases ultrafrios en una dimension, se han presentado resultados de gran relevancia para los experimentos en el campo, caracterizando distintos procesos dinamicos como son la expansion libre, el decaimiento por tuneleo. Ademas se ha presentado una tecnica para crear estados cuanticos con un numero bien definido de particulas, indicando como mejorar los resultados experimentales realizados en la university of Tesas en Austin, cuyo exito se limito a la preparacion de gases con estadistica sub-Poissoniana. Este resultado es clave para la creacion de interferometros de mayor precision. La tesis incluye precisamente combinando los resultados anteriores y generalizando l teoria de un sistema de muchos cuerpos con estructura interna e interacciones fuertes, en el campo de la metrologia. De esta forma se describe como en un interferometro Ramsey, elemento clave de un reloj atomico, se pueden utilizar las propiedades ventajosas de los gases ultrafrios en el regimen de Tonks, en contrasto con los condensados de Bese-Einstein en los cuales la interaccion de campo medio empeora el patron de interferencia y la precision del correspondiente reloj.
Esta tesis aborda el estudio y desarrollo de dispositivos ópticos integrados para la generación de fotones mediante procesos no lineales de tercer orden, con aplicaciones en el campo de la fotónica cuántica. En la actualidad, el estudio de fuentes de fotones individuales integradas ha cobrado gran relevancia debido a sus ventajas inherentes, tales como la miniaturización y la compatibilidad con las tecnologías de microfabricación derivadas de la microelectrónica. Además, el uso de materiales con propiedades no lineales, como el silicio, el nitruro de silicio y el niobato de litio, ha impulsado nuevas oportunidades en el diseño y fabricación de dispositivos fotónicos. El trabajo se divide en dos ejes principales. Por un lado, el diseño, fabricación y caracterización de dispositivos propios, eje desarrollado en el grupo de Fotónica Integrada del Centro de Investigaciones Ópticas, con la fabricación de dispositivos en el foundry CORNERSTONE. Y por otro, la caracterización de dispositivos complejos en colaboración con el Quantum Photonics Laboratory de la Universidad de Pavia, Italia. Inicialmente, se exploraron las herramientas de simulación disponibles para el diseño de dispositivos fotónicos integrados y se realizó una revisión exhaustiva del estado del arte sobre generación de fotones en plataformas fotónicas. A partir de estos estudios, se diseñaron circuitos fotónicos basados en anillos resonadores y acopladores interferométricos resonantes, optimizados para la generación de pares de fotones mediante el proceso de mezclado de cuatro ondas espontáneo (SFWM). Los dispositivos fueron fabricados utilizando tecnologías de silicio sobre aislante y nitruro de silicio, con distintas estrategias de acople y configuraciones de guías de onda. Posteriormente, se llevaron a cabo caracterizaciones experimentales tanto lineales como no lineales para evaluar la eficiencia y pureza espectral de las fuentes de fotones. Entre los resultados obtenidos, se destaca la optimización de parámetros clave, como el factor de calidad de los resonadores y la tasa de coincidencia de pares de fotones, fundamentales para aplicaciones en información cuántica.