Implementación de una fuente de fotones entrelazados en una configuración sagnac-ppktp de tipo II y estudio de un interferómetro de franson balanceado para la identificación de estados de bell
Tanto para el estudio de efectos cuánticos fundamentales, como para múltiples aplicaciones basadas en la teoría cuántica, es necesario generar estados entrelazados entre dos o más sistemas en distintos grados de libertad. En este trabajo, se lleva a cabo el estudio y ajuste de una fuente de fotones entrelazados en polarización; producidos mediante SPDC en un cristal no lineal ppKTP de tipo II con una longitud de 30mm, en una configuración experimental de tipo interferómetro de Sagnac. Este diseño permite generar el entrelazamiento entre los fotones debido a la indistinguibilidad de caminos recorridos. Se obtiene como resultado una fuente brillante de fotones al generar 8.2 × 104pares/(s · mW) en el estado de Bell con una visibilidad en la base D/A por encima del 98 % y en la base H/V por encima del 99 %. Con un parámetro de violación de la desigualdad CHSH S de 2.77. En el trabajo se describe como se realizó la optimización de la fuente, se detallan las técnicas de alineación para el correcto ajuste de la fuente. Por otra parte, con el fin de realizar una caracterización del estado entrelazado producido, se estudió un interferómetro tipo Franson para identificar estados de Bell compuesto por un PBS y un BS. Este diseño, permite la identificación de los cuatro estados de Bell al variar la longitud de un brazo del interferómetro e identificar la forma espectral de los pares de fotones incidentes.
Tanto para el estudio de efectos cuánticos fundamentales, como para múltiples aplicaciones basadas en la teoría cuántica, es necesario generar estados entrelazados entre dos o más sistemas en distintos grados de libertad. En este trabajo, se lleva a cabo el estudio y ajuste de una fuente de fotones entrelazados en polarización; producidos mediante SPDC en un cristal no lineal ppKTP de tipo II con una longitud de 30mm, en una configuración experimental de tipo interferómetro de Sagnac. Este diseño permite generar el entrelazamiento entre los fotones debido a la indistinguibilidad de caminos recorridos. Se obtiene como resultado una fuente brillante de fotones al generar 8.2 × 104pares/(s · mW) en el estado de Bell con una visibilidad en la base D/A por encima del 98 % y en la base H/V por encima del 99 %. Con un parámetro de violación de la desigualdad CHSH S de 2.77. En el trabajo se describe como se realizó la optimización de la fuente, se detallan las técnicas de alineación para el correcto ajuste de la fuente. Por otra parte, con el fin de realizar una caracterización del estado entrelazado producido, se estudió un interferómetro tipo Franson para identificar estados de Bell compuesto por un PBS y un BS. Este diseño, permite la identificación de los cuatro estados de Bell al variar la longitud de un brazo del interferómetro e identificar la forma espectral de los pares de fotones incidentes.
En esta Tesis se presentan los resultados de implementaciones ópticas de algoritmoscuánticos, orientadas a protocolos de comunicación y procesamiento cuántico de la información. En particular, se estudiaron algoritmos cuánticos basados en entrelazamiento y se analizó la interacción del sistema cuántico en cuestión con distintos entornos ruidosos. Estas investigaciones se realizaron en forma mixta, tanto experimental como teórica, contemplando etapas de interacción del sistema con entornos controlados. Se realizaron experimentos de teleportación cuántica y distribución cuántica de claves (QKD), con el propósito de ganar experiencia en la manipulación y control de sistemas cuánticos. A partir de estos experimentos, se demostraron algoritmos eficientes y robustos ante entornos ruidosos que generan decoherencia en el recurso entrelazado. Para llevar a cabo estos experimentos, se desarrolló una fuente de pares de fotones entrelazados en polarización, basada en el proceso de conversión paramétrica descendente. La utilización de fotones como recurso físico permite la codificación de qubits en diversos grados de libertad de los mismos. En los experimentos realizados en esta Tesis, a partir de un único fotón se codificaron dos qubits en los grados de libertad de polarización y momento lineal del mismo. Para representar la interacción del sistema con un entorno local, se utilizaron los dos grados de libertad de polarización y camino para representar el sistema y el entorno, respectivamente. Estas interacciones se producen en arreglos experimentalesbasados en óptica lineal. Los arreglos experimentales diseñados e implementados permitieron un estudio versátil de los distintos protocolos propuestos, y un control sistemático de los entornos. Se estudiaron las condiciones para las cuales la dinámica del sistema era robusta frente al ruido y la acción del mismo sobre el desempeño de estos protocolos. En particular se realizó un estudio de la eficiencia del protocolo de teleportación bajo distintos tipos e intensidades de interacción con un entorno, pudiendo obtener condiciones para las cuales el sistema presenta baja sensibilidad a ciertos tipos de ruido. Asimismo, para el caso de distribución cuántica de claves, la interacción del sistema con el entorno nos permitiómodelar la acción de un espía y estudiar la seguridad de protocolos de QKD. La evolución de los sistemas cuánticos inducida por la interacción con entornos locales genera decoherecia, afectando el grado de entrelazamiento inicial y su utilización como recurso cuántico. Se estudiaron entonces distintas condiciones de ruido cuántico y su efecto sobre el entrelazamiento de un sistema, obteniendo una relación entre la "muerte del entrelazamiento" y canales efectivos capaces de romper completamente el entrelazamiento, para sistemas de dos qubits. Estos resultados permitieron anticipar qué estados pueden sufrir muerte del entrelazamiento o no para una dada evolución. Conocer de antemano el estado inicial y/o el canal cuántico que afecta el recurso entrelazado permite elegir demanera óptima los parámetros necesarios para un procesamiento cuántico eficiente de la información. La base de todos los experimentos realizados es una fuente de pares de fotones entrelazados y un arreglo óptico confiable y versátil basado en óptica lineal. El control sobre los estados fotónicos generados se realiza interferométricamente y en polarización. El dominio de estas técnicas de control de estados cuánticos es un resultado en sí mismo y el arreglo experimental desarrollado se presenta como una plataforma robusta para el estudio de la dinámica de procesos cuánticos. A modo de síntesis, entendemos que en el desarrollo de esta Tesis de Doctorado secumplieron los dos objetivos propuestos: por un lado estudiar la influencia de procesos de decoherencia e interacción con entornos en la eficiencia de algoritmos de información cuántica y por otro desarrollar herramientas ópticas para el estudio e implementación eficiente de estos algoritmos.
Cuando un sistema cuántico evoluciona de manera coherente, su función de onda adquiere una fase (fase de Pancharatnam) compuesta por dos contribuciones: una dinámica, determinada por el Hamiltoniano de la evolución y otra de carácter geométrico, determinada por la trayectoria del estado en el espacio de Hilbert. Esta última se conoce como fase geométrica y no depende del ritmo de evolución temporal ni del Hamiltoniano específico que genera la trayectoria, sino de la forma de la trayectoria seguida. En sistemas de dos niveles como los qubits de polarización, esta fase puede visualizarse en la esfera de Poincaré como proporcional al ángulo sólido encerrado por una trayectoria cerrada del vector de estado al evolucionar. Su estudio resulta relevante no solo por su interés teórico, sino también por su potencial aplicación en el diseño de operaciones cuánticas robustas frente a ciertos tipos de errores, como los que produce la decoherencia. Con el propósito de estudiar experimentalmente fases geométricas en qubits de polarización, esta tesis presenta un interferómetro de transmisión con control de fase polarimétrico que opera con fotones individuales. Este diseño evita el uso de elementos reflectivos y resulta compatible con configuraciones ópticas requeridas para trabajar con fuentes de fotones individuales. Esta tesis contiene dos partes principales. La primera parte del trabajo se centró en la medición interferométrica de la fase de Pancharatnam adquirida por estados de polarización sometidos a transformaciones del grupo SU(2). Para ello, se desarrolló un esquema experimental que permite implementar dichas transformaciones mediante un conjunto adicional de láminas retardadoras en el interferómetro de transmisión propuesto. Se reconstruyeron patrones de interferencia para las transformaciones implementadas. La fase de Pancharatnam se determinó a partir del análisis del desplazamiento de los patrones de interferencia respecto a un patrón de referencia. En la segunda parte, se introdujo una transformación del tipo U(1) para anular la componente dinámica de la fase de Pancharatnam. Se mostraron los cálculos teóricos necesarios para seleccionar los ángulos de las láminas retardadoras que permitieran dicha anulación. Una vez implementada la configuración correspondiente, se realizó la medición interferométrica de la fase geométrica asociada a trayectorias cerradas no geodésicas en la esfera de Poincaré. Como resultado, este trabajo presenta un procedimiento experimental para la medición interferométrica de fases geométricas en el régimen de fotones individuales.
En esta Tesis se realizaron experimentos originales dirigidos a responder preguntas pendientesen el área de la fundamentación de la mecánica cuántica. En particular, se presentael primer estudio experimental de teorías realistas locales no ergódicas que aprovechan elcoincidence-loophole y/o efectos de memoria. En los tests realizados se estudiaron los distintosmecanismos que permiten generar una coincidencia, en los que se sustentan estas teoríaspara reproducir, a través de mecanismos clásicos, las predicciones de la mecánica cuántica. Para la realización de estos tests se emplearon pares de fotones entrelazados en polarización generados por fluorescencia paramétrica y se registraron los tiempos de detección decada fotón (time-stamping). Es importante destacar que en todos los tests las coincidenciasse determinaron una vez finalizado el experimento, variando a voluntad la ventana de coincidencias. En la primera parte de esta Tesis se armó una fuente continua de pares de fotones entrelazadosen polarización y se refutó un modelo de realismo local simple que se sustenta en elcoincidence-loophole. En la segunda parte se empleó una fuente pulsada de fotones correlacionados producidosen forma de pulsos de nanosegundos. Este es el primer experimento realizado con estas características en el ámbito internacional. Para la realización de este experimento se construyó unláser de estado totalmente sólido de Nd:YVO4 triplicado en frecuencia con un diseño originalque emite pulsos con una duración de nanosegundos con una repetición de hasta 100 kHz. Empleando este láser se realizó, además, el primer estudio experimental de las coincidenciasaccidentales en el régimen pulsado usando la técnica de time-stamping. Para efectuar los diferentestests también fue necesario registrar los tiempos de detección de todos los pulsos debombeo, los que permiten establecer el intervalo de tiempo en el que se espera encontrar unpar de fotones. Los resultados obtenidos en esta segunda etapa tampoco mostraron ninguna evidencia delcoincidence-loophole o de efectos relacionados, refutando o, al menos, imponiendo nuevas ymuy severas restricciones, a esta clase de teorías.
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.
Actualmente, numerosos experimentos de Óptica Cuántica utilizan cristales no lineales (LiIO3, BBO, etc.) como fuente de fotones entrelazados, aprovechando el fenómeno de Conversión Paramétrica Espontánea Descendente(SPDC). Para ello se incide sobre el cristal con un láser de bombeo y se obtienen a la salida pares de fotones de menor energía, que dependiendo del corte del cristal, forman dos conos coaxiales, en el caso decristales de tipo I, o dos conos desplazados, para cristales de tipo II. El ángulo de salida de estos pares de fotones, para cada longitud de onda, depende del ángulo de incidencia del haz de bombeo, respecto de la dirección del eje óptico del cristal. Conocer esta dependencia es crucial para ubicar correctamente los detectores de fotones necesarios en cualquier experimento. En este trabajo se implementaron dos métodos distintos de caracterización de cristales no lineales para ser utilizados para SPDC. A modo de ejemplo se presentan los resultados de la caracterización de doscristales tipo I con espesores bien diferentes: un cristal LiIO3 de 10 mm de espesor y un BBO de 2 mm de espesor. Para el primero, se midió la distribución angular delos fotones convertidos en función de su longitud de onda y del ángulo de incidencia del haz de bombeo mediante la medición directa de los conos. Los resultados experimentales coinciden con los predichos por un software desarrollado paratal fin (NIST Phasematch) con discrepancias menores al 10%. Para el cristal de menor espesor la intensidad de los conos disminuye apreciablemente, por loque el método se vuelve impreciso y es necesario implementar un método alternativo. Se utilizó en este caso un segundo método de caracterización, basado en interferometría cromática de polarización, que nos permitió determinar la dirección del eje óptico con una precisión del 0.5% y el espesor del cristal con una precisión del 1%y, en forma indirecta, la distribución angular de los fotones convertidos. Los valores medidos están en muy buen acuerdo con los proporcionados por el fabricante.
En este trabajo se presenta una fuente de pares de fotones entrelazados en polarización, generados a partir de la fluorescencia paramétrica en un cristal BBO cortado para phase matching tipo II no colineal, bombeado por un láser semiconductor violeta (λ=404 nm), de 40 mW de potencia media. Utilizando filtros interferenciales y seleccionando espacialmente la intersección de los conos de luz de los fotones signal e idler, se obtienen pares de fotones entrelazados en polarización, representados aproximadamente por el estado ψ . Se caracterizó la fuente midiendo la versión CHSH de la desigualdad de Bell, obteniéndose una violación de la misma por veintidós desviaciones estándar.