En esta tesis se analiza el problema de la persistencia en la orientación del espín y la reducción de las fluctuaciones en sus componentes, cuestión que se denotará genéricamente como “squeezing", en sistemas atómicos de dos y tres niveles activos. En particular, se estudian cadenas de N átomos de dos niveles en presencia de un campo de radiación. Se consideraron las interacciones entre átomos dependientes del sitio, la interacción de los átomos con el campo de radiación, y los efectos de disipación debidas a un ancho de frecuencia en el campo de radiación. También se aborda el problema de sistemas de átomos de tres niveles puestos en cavidades electromagnéticas de uno y dos modos, especí¯camente. Así mismo, se evalúa la dependencia del parámetro de squeezing al tener en cuenta interacciones del tipo dipolo-dipolo entre átomos.
En esta tesis se analiza el problema de la persistencia en la orientación del espín y la reducción de las fluctuaciones en sus componentes, cuestión que se denotará genéricamente como “squeezing", en sistemas atómicos de dos y tres niveles activos. En particular, se estudian cadenas de N átomos de dos niveles en presencia de un campo de radiación. Se consideraron las interacciones entre átomos dependientes del sitio, la interacción de los átomos con el campo de radiación, y los efectos de disipación debidas a un ancho de frecuencia en el campo de radiación. También se aborda el problema de sistemas de átomos de tres niveles puestos en cavidades electromagnéticas de uno y dos modos, especí¯camente. Así mismo, se evalúa la dependencia del parámetro de squeezing al tener en cuenta interacciones del tipo dipolo-dipolo entre átomos.
El espíritu de esta tesis ha sido estudiar la aplicación de métodos algebraicos en la descripción de sistemas cuánticos de muchas part´ıculas, cuyo comportamiento puede homologarse al de: a) N átomos idénticos con unos pocos niveles activos, en interacción con un campo electromagnético, b) arreglos lineales de espín 1/2 acoplados mediante una interacción de intercambio espín - espín. Si bien este tipo de sistemas son conocidos desde ya hace mucho tiempo, en los últimos años han recibido un creciente internes dado que los mismos son vistos como posibles candidatos para ser utilizados en Óptica Cuántica, Computación Cuántica e Información Cuántica. La solución exacta de los modelos físicos que describen el comportamiento de estos sistemas es conocida, y se obtiene mediante la aplicación de técnicas basadas en la teoría de grupos. Alternativamente, los mismos son factibles de ser tratados en forma aproximada, mediante la aplicación de métodos no perturbativos, originalmente formulados en el tratamiento de problemas de muchos cuerpos de Física Nuclear. Particularmente, hemos analizado la aparición de squeezing en el sistema, concepto que está relacionado con la posibilidad de reducir la incerteza cuántica sobre alguno de los observables del problema, sin violación del mínimo de incerteza, y con la mejora de la relación señal-ruido en medidas de precisión. Hemos estudiado cadenas de espines asimétricas, con interacciones a primeros vecinos, haciendo luego una extensión del problema al incluir interacciones periódicas y de largo alcance. También hemos estudiado un sistema de A átomos idénticos de tres niveles, en interacción con un campo electromagnético externo. En esta tesis se presentan los resultados obtenidos mediante una diagonalización exacta de la matriz Hamiltoniana, para distintos valores del número de átomos, condiciones iniciales y constantes de acoplamiento.
La idea central de la presente tesis es poner de manifesto efectoscuánticos que aparecen en la interacción entre átomos de pocos nivelescon radiación electromagnética y entre modos de radiación entre sí considerandola radiación cuantificada. Se trataron diferentes sistemas deinterés en el ámbito de la elcctrodinámica cuántica de cavidades, utilizandotécnicas como la de hallar los operadores relevantes en el marcode la teoría de álgebras dinámicas y también utilizando ecuación maestrapara la evolución del operador densidad. Se estudió el problema deun átomo de dos niveles interactuando con dos modos de radiación enpresencia de un medio no lineal. Para este sistema se encontró que lapresencia del medio no lineal inhibe los efectos típicos de estos sistemascomo ser los colapsos y resurrecciones de la inversión de población, ytambién el antiagrupamiento. También se estudió un hamiltoniano de Jaynes-Cummings generalizado que no toma en cuenta la aproximaciónde onda rotante y además en presencia de un campo externo. Se pudoencontrar un conjunto de operadores adecuado para estudiar este sistemaque permite evaluar la evolución temporal del valor medio de cualquiercantidad de relevancia. En la presente tesis se hace una propuesta parapoder utilizar un divisor dc haz como discriminador de entrelazamientoentre dos modos del campo electromagnético; además en algunos casospodemos identificar diferentes elementos de la base de Bell. También eneste trabajo se hace un estudio de factibilidad de una propuesta paragenerar en forma condicional estados de Fock en una cavidad. Para ellose relajan aproximaciones y se tienen en cuenta las pérdidas dentro dela cavidad, encontrándose que el esquema es robusto antes condicionesreales, siendo entonces promisoria su realización experimental.
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.
RESUMEN: En el marco de la teoría de la respuesta, los estados cuánticos estacionarios permiten explorar las propiedades ópticas de los materiales. En uno de sus fenómenos más interesantes, es posible suprimir los efectos de dispersión y absorción sobre la luz incidente, efecto conocido como transparencia inducida electromagnéticamente o EIT por sus siglas en inglés. Este efecto ha sido ampliamente estudiado y aplicado en sistemas atómicos de tres niveles tipo lambda, confinados en cavidades ópticas y estructuras semiconductoras más complejas como moléculas de puntos cuánticos. En este trabajo exploramos la dinámica de moléculas de puntos cuánticos acopladas a campos en resonancia y fuera de resonancia, incluyendo a su vez los efectos de disipación y decoherencia con acoples no resonantes como las interacciones electrón-fonón a nivel de una ecuación maestra. Se propone un formalismo de cuadro rotante que elimina las dependencias temporales en los hamiltonianos de los campos clásicos o cuánticos externos. Se calculan propiedades ópticas como la susceptibilidad y el índice de refracción a través de teoría de perturbaciones y métodos exactos, en función de las distintas tasas y niveles de energía de las moléculas. Estos resultados muestran comportamientos similares a los gases atómicos, donde sus propiedades ópticas se ven modificadas. Además numéricamente se exploran los efectos de acoples no resonantes sobre sistemas con radiación cuantizada.
Esta Tesis se divide en dos partes. En la primera de ellas se estudian efectos de coherencia atomica en el regimen de ganancia en frecuencia en presencia de ensanchamiento Doppler, con la intencion de explorar posibles maneras de reducir su efecto negativo. El capitulo 2 se centra en la emision laser sin inversion de poblacion (LSI) en el regimen de ganancia en frecuencia en un esquema en V en presencia de ensanchamiento Doppler en una celda vapor y un haz atomico. Se muestra que la relacion entre la frecuencia del campo generado y de control, llamada relacion de ganancia en frecuencia R, que se puede conseguir en una celda vapor es pequena mientras que con las dos configuraciones porpuestas utilizando un haz atomico R puede ser sustancialmente mayor. En el capitulo 3 se muestra la posibilidad de obtener LSI en ausencia de campo de control externo usando uno generado por el propio medio activo en esquemas cascada y V. En el capitulo 4 se estudia transparencia inducida electromagneticamente (TIE) y amplificacion sin inversion (ASI) en sistemas de tres niveles con una onda estacionaria (OE) como campo de control. Se ha mostrado que con una OE, aparecen ventanas de transparencia cerca de valores semienteros de R conduciendo al hecho que en el regimen de ganancia en frecuencia una OE como campo de control es mas eficiente que una onda viajera. Se ha mostrado que una OE asimetrica es incluso mejor. Se ha estudiado ASI, donde una caracteristica del caso de control con OE es la contribucion a al ganancia del campo de prueba de procesos multifotonicos involucrando un foton prueba y varios fotones del campo de control. Estos procesos no son afectados por el ensanchamiento Doppler si R es un numero enteros. En el capitulo 5, se estudia TIE, tanto teoricamente como experimentalmente, utilizando como medio activo un condensado de Bose-Einstein. Capitulo 6 contiene dos propuestas experimentales: ASI en las bandas laterales
En este trabajo se resuelve la ecuaciónmaestra que gobierna la dinámica de lainteracción entre un campo electromagnéticocuantizado y un átomo de dos niveles en elrégimen dispersivo en una cavidad con pérdidas.Tales pérdidas se deben a la interacción delsistema con su medio ambiente. El problema seresuelve usando una técnica de superoperadores.Se muestra que es posible recobrar informacióndel sistema aún para un número reducido defotones en la cavidad. Se presentan colapsos yrevivimientos que dependen del grado dedisipación en la cavidad, lo que determina el nivelde interacción entre el átomo y el campo.