[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.
[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.
En la actualidad las caminatas aleatorias han sido empleadas como herramientas
para el desarrollo de numerosos algoritmos. Sin embargo, una carencia
importante para la solucion de problemas radica en la falta de algoritmos que
exploten a su favor los fenomenos que la naturaleza a escalas atomicas presenta.
En este trabajo de tesis se estudia el analogo cuantico que presenta un
caminante al azar, conocido como caminata cuantica. Desde su propuesta, el
paradigma de las caminatas cuanticas ha despertado un considerable interes en
su estudio durante los ultimos anos, ya que, debido a los fenomenos de superposicion,
este grupo de caminata al azar se propagan con mayor rapidez que una
caminata clasica y por lo tanto se puede dar un recorrido espacial en un menor
numero de iteraciones que su contraparte clasica. Por lo anterior, del estudio
de caminatas cuanticas se espera un desempeno superior para el desarrollo de
algoritmos mas veloces.
La hipotesis que en este trabajo se plantea es que a traves del cambio y la
manipulacion en el uso de operadores y los estados iniciales, se generaran cambios
radicales en las distribuciones de los caminantes. Se esperan que al realizar
estos cambios en la densidad probabilidad de un caminante tengan aplicaciones
algoritmica en futuras investigaciones.
Debido a lo anterior esta tesis plantea como objetivo central el analisis de las
caminatas cuanticas, mostrando los cambios radicales que presentan las caminata
cuanticas en sus distribuciones de probabilidad, ademas de presentar una
idea basica de las posible forma de implementacion algoritmica de estas distribuciones.
Ademas reportamos nuevos resultados, hasta donde hemos investigado, en
relacion a la evolucion de las caminatas cuanticas para monedas en altas dimensiones
considerando estados maximamente enlazados y el operador de Grover.
Otros objetivos que se establecen, es dar una motivacion para realizar estudios
en el sentido de la computacion cuantica. Ademas de explicar los fenomenos
que se presentan a escalas atomicas, que son los que ayudan a potencializar el
desempeno de los algoritmos y la caminata cuanticas.
En la actualidad existen tecnologías cuánticas que requieren de la disponibilidad de fuentes de luz no-clásica eficientes. El fenómeno de generación paramétrica descendente espontánea (SPDC) constituye un método práctico para la generación de este tipo de luz. Este método está basado en la interacción de campos electromagnéticos clásicos con materiales no-lineales por medio de procesos paramétricos. En general, el SPDC se ha utilizado e implementado experimentalmente para la generación de parejas de fotones utilizando materiales no-lineales de segundo y tercer orden. En la última década se ha buscado la manera de obtener múltiples fotones enredados. En este trabajo se presenta un estudio teórico del proceso de generación paramétrica espontánea descendente de tercer orden (TOSPDC) en materiales con una no-linealidad caracterizada por X(3), en donde se generan ternas de fotones enredados. De manera específica, consideramos la utilización de fibras ópticas ultra-delgadas como el medio no-lineal para el proceso de TOSPDC, en configuraciones en donde el empatamiento de fases se logra mediante el uso de diferentes modos transversales de propagación de la fibra, en particular cuando la luz generada se propaga en el modo fundamental y el bombeo en el primer modo excitado. Este trabajo está enfocado en proponer diseños de fuentes de ternas de fotones TOSPDC con los detalles necesarios, de tal manera que puedan ser implementados de manera experimental. Nuestro trabajo de investigación se enfoca en la descripción teórica del estado de tres fotones y en las características de empatamiento de fases de TOSPDC. Además se hace un análisis de la tasa de emisión de las fuentes propuestas en relación con los parámetros experimentales clave, como lo son la longitud de la fibra, el ancho de banda y la potencia de bombeo para cada una de las fuentes propuestas: casos de generación TOSPDC degenerada en frecuencia y no-degenerada en frecuencia. De manera adicional, se hace un estudio preliminar sobre las condiciones de empatamiento de velocidad de grupo para así lograr un control sobre las propiedades de enredamiento de las ternas de fotones emitidas.
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.
Como hilo conductor, la tesis trata la posibilidad de caracterizar y detectar propiedades no locales de gases atomicos ultrafrios. La principal motivacion para esta coleccion de propuestas surge del campo de la simulacion cuantica y la informacion cuantica. A continuacion vamos a listar los resultados principales de esta tesis, siguiendo aproximadamente el orden en que han sido estructurados los capitulos: Hemos revisado la forma en la que un modelo de tipo enlace fuerte con particulas masivas puede dar lugar a teorias de fermiones sin masa de Dirac en el limite de baja energia. En particular, se detalla la relacion entre todos los posibles terminos que pueden incluirse en el Hamiltoniano (sin interaccion) y los parametros microscopicos controlables. Las especificidades de la implementacion son explicadas de forma cuantitativa, con el objetivo de realizar una propuesta experimental completa.Por ultimo, se sugiere el empleo de varios protocolos de medida, segun las caracteristicas particulares del experimento que se quiera realizar, y que allanan el camino para la realizacion de simulaciones mas complejas en experimentos similares. Hemos demostrado que un aislante de Chern puede ser implementado y car- acterizado en un experimento de redes opticas. Un indice (o winding number, en ingles) que toma valores en los enteros puede ser medido a partir de imagenes en tiempo de vuelo del gas atomico, lo que resulta equivalente a la medida de su numero de Chern. Hemos comprobado numericamente que el protocolo de deteccion es robusto frente a las inhomogeneidades y temperaturas propias de estos experimentos con redes opticas, como cabe esperar de un invariante topologico entero. Hemos demostrado que el numero de Chern de un sistema 4x4 con invariancia traslacional puede ser descompuesto como la suma de las fases de Berry de dos particiones de tipo pseudoespin. La prueba requiere que dichas particiones no se encuentren maximamente entrelazadas en ningun punto en espacio de momentos -lo que supone una gran restriccion a la hora de seleccionar las biparticiones. En general, esta restriccion implica motivar la eleccion de particiones en base a alguna simetria del problema. Ademas, y basandonos en este resultado y el expuesto en el punto anterior, podemos concluir que el numero de Chern de un sistema compuesto tambien puede ser medido mediante imagenes en tiempo de vuelo; exponemos este resultado con un ejemplo paradigmatico: una propuesta para medir modos de Majorana en un experimento con redes opticas completamente detallado. Hemos construido un modelo de enlace fuerte que incluye el efecto de potenciales Abelianos y no Abelianos sobre fermiones masivos. Las medidas realizadas unicamente en el grado de libertad de espin son suficientes para construir un indice topologico que cambia de valor al cruzar una transicion de fase provocada por el potencial no Abeliano, como se demuestra numericamente. Reafirmando la intuicion de la que nos dota el resultado expuesto en el punto anterior, la cantidad de informacion extraida a partir de estas medidas parciales depende criticamente de la ruptura de simetrias relevantes del problema. Hemos demostrado que la fidelidad local a un estado grafo puede ser medida en un modelo sencillo de bits cuanticos- en una red atomica bipartita. Lo que es mas importante, esta fidelidad contituye un testigo de entrelazamiento genuinamente multipartito que puede ser computado sobre regiones arbitrarias, haciendo uso unicamente de dos conjuntos de medidas simultaneas. Hemos incluido evidencia numerica de que este protocolo funciona aun en presencia de diferentes fuentes de ruido propias de experimentos con redes opticas. Aunque las medidas son en si destructivas, el metodo es util tanto como forma de certificar entrelazamiento entre muchas particulas como para calibrar un experimento que tenga el proposito de construir estados grafo de gran tamano.
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.
La mecánica cuántica introdujo fenómenos novedosos, cuyo aprovechamiento permite \nuna potencial mejora de las tecnologías respecto de aquellas que no cuentan con \nellos. Estas tecnologías son denominadas las \\tecnologías cuánticas", que engloban la \ncomputación cuántica, criptografía cuántica, comunicación cuántica y a los sensores \ncuánticos. En el caso de los sensores cuánticos, sus propiedades cuánticas son utilizadas \ncomo recurso para el proceso de estimación de magnitudes (parámetros) de interés. \nLa máxima precisión admisible, lo que se llama información, depende fuertemente del \nesquema de control implementado en el sensor [11]. \nEn particular, dado que en la cuántica, las mediciones afectan al estado del sistema, \néstas representan un recurso disponible para definir el esquema de control. El \nefecto Zenón cuántico congela la evolución del sistema sensor a través de mediciones \nproyectivas frecuentes, mientras que el efecto anti-Zenón cuántico acelera su evolución \ntemporal. En ambos casos, el control consiste de mediciones estroboscópicas cada algún \nintervalo de tiempo y ha demostrado ser una herramienta de control de la señal de un \nespín al que utilizaremos como sensor. En particular, se encontró experimentalmente \nque esta forma de control reduce la cantidad de parámetros involucrados en la dinámica \n[17] y, en determinadas circunstancias mejora su precisión [11]. \nEn este trabajo, con el objetivo de desarrollar un marco teórico base, consideramos \nel control por mediciones proyectivas de sistema de dos niveles regido por un Hamiltoniano \nindependiente del tiempo, para estimar el acople entre los dos niveles. Este \nmodelo posee los elementos escenciales presentes en dinámicas cuánticas más complejas \npara evaluar la información extraíble utilizando el efecto Zenón cuántico. El acople \nentre niveles induce una dinámica oscilatoria de intercambio de excitación entre un \nnivel y otro, mientras que la separación de energía representa un \\offset", poniendo \nal sistema fuera de resonancia. Encontramos que el tiempo óptimo entre mediciones \nproyectivas para maximizar la información depende de la intensidad del offset. Para \nvalores altos de offset, cuyo valor está denido por el tiempo de evolución del sensor, \nlas mediciones proyectivas son más efcientes para estimar el acople. Denominamos este \nconcepto amplicación de información a través del efecto Zenón cuántico. Ejemplicamos \neste principio mediante la particularización de este desarrollo a sistemas de interés \npráctico. También presentamos un mecanismo de medición alternativa, donde el colap \nso del sistema es causado por la interacción con un ambiente ruidoso. Recuperamos en \nestas circunstancias los resultados obtenidos bajo la suposición de proyección ideal, y \nexploramos la posibilidad de utilizar el colapso parcial inducido por este ambiente bajo \ncortos tiempos de interacción como herramienta para medir parámetros del ambiente \neficientemente y de forma no invasiva.