Amplificación paramétrica óptica: teoría, experimentos y comunicación cuántica

Sobre el módulo

¿Cómo puede un cristal no lineal amplificar la luz, generar pares de fotones entrelazados para comunicación cuántica o producir estados comprimidos para sensado y computación cuántica? Este módulo presenta la amplificación paramétrica óptica (OPA) como un puente entre la óptica no lineal y la óptica cuántica. A partir de la mezcla de tres ondas y de procesos no lineales de segundo orden, se estudiarán la descripción clásica de la OPA, la conversión paramétrica descendente espontánea (SPDC), la generación de pares de fotones y la luz comprimida. Las clases teóricas se integrarán con actividades experimentales en el Quantum Tech Lab del CBPF, donde los estudiantes participarán en la alineación, generación y caracterización de una fuente de pares de fotones entrelazados.

Temario

1. Óptica no lineal y mezcla de tres ondas: polarización no lineal, susceptibilidad de segundo orden χ(2), generación de suma y diferencia de frecuencias y fundamentos de la amplificación paramétrica. Actividad experimental: alineación de sistemas ópticos y acoplamiento de luz en fibras ópticas.
2. Amplificación paramétrica óptica clásica: ecuaciones de ondas acopladas, ajuste de fase, ganancia paramétrica y diferencias entre láseres continuos y pulsados. Actividad experimental: montaje del sistema de generación de pares de fotones.
3. Introducción a la óptica cuántica: cuantización del campo electromagnético, hamiltoniano de interacción, estado de vacío, estados de Fock y estados comprimidos. Actividad experimental: continuación del montaje y alineación de la fuente.
4. OPA de baja ganancia y SPDC: generación de pares de fotones, conservación de energía y momento, ajuste de fase y correlaciones señal–idler. Actividad experimental: ingeniería de la fuente para generar entrelazamiento.
5. SPDC como fuente de luz cuántica: generación de fotones anunciados, medidas de coincidencia, función de correlación de segundo orden g(2), entrelazamiento, brillo de la fuente, eficiencia de colección y filtrado.
6. OPA de alta ganancia y luz comprimida: transformaciones de Bogoliubov, operadores de cuadratura, vacío comprimido, compresión de dos modos y conexión entre SPDC y OPA de alta ganancia.
7. Aplicaciones de la luz cuántica en comunicación, computación y sensado cuánticos. Actividad experimental: implementación de un protocolo de comunicación cuántica basado en entrelazamiento.
8. Integración experimental: alineación final y caracterización del sistema SPDC y análisis del protocolo de comunicación cuántica.

Requisitos previos

Se recomienda formación previa en mecánica cuántica.

Bibliografía

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