A partir del estudio de correlaciones de segundo orden, se calcula la probabilidad conjunta del fenómeno de interferencia cuántica para un par de fotones individuales resuelta temporalmente. Así pues, basado en el análisis anterior, se deduce la posibilidad de evidenciar franjas de interferencia en los patrones observables, determinados por la probabilidad conjunta del par de fotones tras interferir. Posteriormente, bajo consideraciones análogas al caso temporal, se propone una resolución espacial del fenómeno de interferencia cuántica, luego complementada con un análisis alternativo que difiere en el grado de libertad usado para el desarrollo. Para llevar a cabo el anterior objetivo, se plantea un desarrollo teórico fundamentado en la propuesta de un par de montajes experimentales para la caracterización del fenómeno de interferencia cuántica en cuestión, fin último de este trabajo de monografía, de manera que se puedan corroborar experimentalmente a futuro, las predicciones conceptuales aquí expuestas, para su posible uso y desarrollo tecnológicos. Más aún, los resultados obtenidos en la resolución espacial del fenómeno de interferencia cuántica, arrojaron gráficas prometedoras en las que se evidencian franjas de interferencia, siendo este un patrón determinante a la hora de caracterizar el fenómeno de interferencia de la luz.
A partir del estudio de correlaciones de segundo orden, se calcula la probabilidad conjunta del fenómeno de interferencia cuántica para un par de fotones individuales resuelta temporalmente. Así pues, basado en el análisis anterior, se deduce la posibilidad de evidenciar franjas de interferencia en los patrones observables, determinados por la probabilidad conjunta del par de fotones tras interferir. Posteriormente, bajo consideraciones análogas al caso temporal, se propone una resolución espacial del fenómeno de interferencia cuántica, luego complementada con un análisis alternativo que difiere en el grado de libertad usado para el desarrollo. Para llevar a cabo el anterior objetivo, se plantea un desarrollo teórico fundamentado en la propuesta de un par de montajes experimentales para la caracterización del fenómeno de interferencia cuántica en cuestión, fin último de este trabajo de monografía, de manera que se puedan corroborar experimentalmente a futuro, las predicciones conceptuales aquí expuestas, para su posible uso y desarrollo tecnológicos. Más aún, los resultados obtenidos en la resolución espacial del fenómeno de interferencia cuántica, arrojaron gráficas prometedoras en las que se evidencian franjas de interferencia, siendo este un patrón determinante a la hora de caracterizar el fenómeno de interferencia de la luz.
En un principio, la Teoría de la Información fue concebida en forma abstracta, en base a una formulación matemática. Sin embargo, la habilidad y eficiencia para procesar o transmitir información dependerá en última instancia del sistema físico elegido para codificar esa información. Es así que, al codificar la información en las propiedades físicas de sistemas cuyo comportamiento se describe por las leyes de la mecánica cuántica, se abren nuevas posibilidades que son irrealizables clásicamente. Entre ellas, la posibilidad de generar algoritmos cuánticos para ciertos cálculos que requieren un número de pasos significativamente menor que cualquier algoritmo clásico, reduciendo su complejidad. Entre las características fundamentales de la mecánica cuántica que posibilitan estos desarrollos, sobresalen el principio de superposición y el entrelazamiento cuántico. Una de las implementaciones más accesibles para la comunicación cuántica y el procesamiento cuántico de la información emplea fotones individuales como portadores de la información. Estos pueden viajar entre dos estaciones distantes siendo poco afectados por el ruido que introduce el entorno. Además, poseen varios grados de libertad en los cuales es posible codificar la información y pueden manipularse con un alto grado de control utilizando tecnología estándar. En este trabajo se describen algunas aplicaciones de la implementación fotónica, realizadas en colaboración con el Laboratorio de Procesado de Imágenes (LPI) del Depto. de Física de la UBA. En primer lugar, se describe la determinación experimental de medidas de correlaciones cuánticas en estados no puros de un par de fotones correlacionados en polarización, mediante técnicas de tomografía de estados cuánticos. Luego se describe la utilización de moduladores espaciales de luz programables para entrelazar la polarización con grados de libertad espaciales, y así poder simular los denominados estados historia de evoluciones temporales cuánticas. Se muestra que este último proveeun esquema eficientepara el cálculo de promedios temporales de observables del sistema.
En el año en que se conmemoran los cien años de la mecánica cuántica, este artículo vuelve a analizar una pregunta antigua y, en apariencia, sencilla: ¿qué es la luz en sentido físico? Para intentar resolverla, se hace un recorrido histórico que va desde la teoría corpuscular de Newton y la descripción ondulatoria de Huygens, pasando por los experimentos de interferencia de doble rendija de Young, hasta la teoría de Maxwell que establece la luz como una onda electromagnética. Se muestra cómo esa respuesta, que parecía bien explicada hacia finales del siglo XIX, resultó insuficiente cuando a comienzos del siglo XX aparecieron resultados experimentales imposibles de explicar usando la física clásica. Con nuevos resultados experimentales, se muestra cómo la cuantización propuesta por Planck resuelve el problema de la radiación de cuerpo negro y cómo Einstein, al explicar el efecto fotoeléctrico, obliga a introducir la idea los de cuantos de luz: los fotones. Posteriormente, se discute cómo la teoría y los experimentos contemporáneos consolidan la dualidad onda–partícula, incluso si se consideran fotones individuales, usando divisores de haz e interferómetros que revelan interferencia a nivel de un solo cuanto. Finalmente, se ofrece una visión general de desarrollos actuales que conectan los fundamentos de la mecánica cuántica, con el entrelazamiento, la no-localidad y las pruebas tipo Bell. Se hace énfasis en comprender, por qué los fotones siguen siendo centrales tanto para preguntas conceptuales aún abiertas como para tecnologías cuánticas emergentes, en particular la comunicación y la computación cuántica.
La interferencia de la luz y de la materia se aborda de manera muy distinta, a pesar de que sea producida por arreglos experimentales con la misma configuración a escala diferente, que entregan resultados de morfología similar, llamados patrones de interferencia. El aparato matemático empleado para la predicción de los patrones de interferencia es similar y se basa en la superposición de funciones de onda. No obstante, mientras que en el caso de la luz la superposición de ondas es un principio fenomenológico que conduce a explicaciones físicas, en el caso de la materia, las funciones de onda no tienen significado físico, por lo que su superposición no conduce a explicaciones fenomenológicas. Así, fenómenos físicos análogos no se explican con base en causas naturales comunes y necesarias, como lo establecen las dos reglas de filosofía natural de Newton vigentes para el análisis de resultados experimentales. En este trabajo se proponen fundamentos conceptuales para una teoría basada en un nuevo principio físico de interferencia, tanto para luz como para la materia, que supera tales limitaciones y se ajusta a las reglas filosóficas de Newton.
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 este trabajo de tesis se apunta a desarrollar herramientas que posibiliten la descripción de sistemas físicos de interés en información cuántica. El marco teórico de las investigaciones está dado por la teoría de la información, la mecánica cuántica y la geometría diferencial. Las investigaciones propuestas están principalmente vinculadas al interés en la naturaleza de los objetos y procesos coherentes en física, en particular focalizado en la noción de coherencia cuántica. La coherencia cuántica en sistema de muchos cuerpos representa la esencia del entrelazamiento y es un ingrediente indispensable para una multitud de fenómenos físicos en óptica cuántica, información cuántica, física de estado sólido y termodinámica a bajas temperaturas. Los estados entrelazados y el fenómeno de coherencia juegan un rol central en las ciencias de la información cuántica, cuyo desarrollo en los últimos años ha alcanzado gran relevancia a nivel global y constituye uno de los temas prioritarios de estudio en centros de investigación destacados de todo el mundo. En escenarios realistas, tales como sistemas cuánticos abiertos, la coherencia es afectada por el ruido ambiente, de acuerdo al fenómeno de decoherencia; la descripción de procesos físicos de decoherencia es un área de estudio muy activa. Para el estudio de procesos coherentes en sistemas cuánticos resulta fundamental contar con medidas apropiadas que permitan cuantificar el grado de coherencia. Se han establecido algunas propiedades que tales medidas deberían satisfacer, notando que la caracterización cuantitativa de coherencia necesita aún atención y un análisis más exhaustivo y amplio. Los objetivos específicos son explorar cuantificadores alternativos de coherencia utilizando medidas de información, lograr caracterizarla en el marco de la teoría de recursos mediante la propiedad de mayorización y avanzar sobre formulaciones geométricas y entrópicas del principio de incerteza desarrolladas por el grupo, estudiando su conexión con la coherencia cuántica.
La tecnologia actual esta empezando a permitir la medida y el control de distintos pasos en la evolucion de colisiones cuanticas en escalas de tiempos de femto- y atto-segundos. De hecho, muchos trabajos teoricos se orientan en la actualidad hacia la descripcion de procesos y fenomenos que ocurren durante la colision, a diferencia del punto de vista mas tradicional, en que solo los instantes inicial y final de una colision eran relevantes y accesibles experimentalmente.
En este trabajo se describe y caracteriza un nuevo efecto cuantico de interferencia, colisional y transitorio, por el que determinados valores del momento lineal, y en particular el momento central del paquete de ondas inicial, se convierten transitoriamente en momentos prohibidos de la distribucion de momentos durante la colision. El hueco formado en el centro de la distribucion produce desplazamientos de la norma que dan lugar a la formacion de maximos de probabilidad en torno al momento central. El maximo correspondiente a momentos mas altos conduce a que se produzca una notable acumulacion de norma en regiones prohibidas clasicamente.
Para la observacion experimental de este efecto se propone y discute la utilizacion de atomos ultrafrios en colision con campos producidos por laseres que pueden ser desconectados subitamente en comparacion con los tiempos asociados con el movimiento traslacional atomico.
Este efecto ha sido analizado para un sistema fisico modelo con diferentes potenciales (barrera cuadrada, barrera Gausiana, doble barrera cuadrada, etc.). Asi mismo, se han estudiado sus caracteristicas en presencia de la fuerza gravitatoria.
Por ultimo, el estudio se ha generalizado al caso en que se describe el sistema atomico con estructura interna en interaccion con campos laser fuera de resonancia, en primer lugar, y en resonancia, en segundo lugar, y en presencia de una combinacion de ambos.