Sobre o módulo
Como um cristal não linear pode amplificar a luz, gerar pares de fótons emaranhados para comunicação quântica ou produzir estados comprimidos para sensoriamento e computação quântica? Este módulo apresenta a amplificação paramétrica óptica (OPA) como uma ponte entre a óptica não linear e a óptica quântica. Partindo da mistura de três ondas e dos processos não lineares de segunda ordem, serão abordadas a descrição clássica da OPA, a conversão paramétrica descendente espontânea (SPDC), a geração de pares de fótons e a produção de luz comprimida. As aulas teóricas serão integradas a atividades no Quantum Tech Lab do CBPF, onde os estudantes participarão do alinhamento, da geração e da caracterização de uma fonte de pares de fótons emaranhados.
Ementa
- Óptica não linear e mistura de três ondas: polarização não linear, susceptibilidade de segunda ordem χ(2), geração de soma e diferença de frequências e fundamentos da amplificação paramétrica. Atividade experimental: alinhamento de sistemas ópticos e acoplamento de luz em fibras ópticas.
- Amplificação paramétrica óptica clássica: equações de ondas acopladas, casamento de fase, ganho paramétrico e diferenças entre lasers contínuos e pulsados. Atividade experimental: montagem do sistema de geração de pares de fótons.
- Introdução à óptica quântica: quantização do campo eletromagnético, Hamiltoniano de interação, estado de vácuo, estados de Fock e estados comprimidos. Atividade experimental: continuação da montagem e do alinhamento da fonte.
- OPA de baixo ganho e SPDC: geração de pares de fótons, conservação de energia e momento, casamento de fase e correlações sinal–idler. Atividade experimental: engenharia da fonte para geração de emaranhamento.
- SPDC como fonte de luz quântica: geração heraldada de fótons, medidas de coincidência, função de correlação de segunda ordem g(2), emaranhamento, brilho da fonte, eficiência de coleta e filtragem.
- OPA de alto ganho e luz comprimida: transformações de Bogoliubov, operadores de quadratura, vácuo comprimido, compressão de dois modos e conexão entre SPDC e OPA de alto ganho.
- Aplicações da luz quântica em comunicação, computação e sensoriamento quânticos. Atividade experimental: implementação de um protocolo de comunicação quântica baseado em emaranhamento.
- Integração experimental: finalização, alinhamento e caracterização do sistema SPDC e análise do protocolo de comunicação quântica.
Pré-requisitos
Recomendável conhecimentos prévios de mecânica quântica.
Bibliografia
- Kalash, M.; Sudharsanam, A.; Passos, M. H. M. et al. Real-time monitoring of multimode squeezing. Nature Communications 17, 3904 (2026).
- Asavanant, W. et al. Generation of time-domain-multiplexed two-dimensional cluster state. Science 366, 373–376 (2019).
- Yin, J. et al. Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers. Science 356, 1140–1144 (2017).
- Brida, G.; Genovese, M.; Ruo-Berchera, I. Experimental realization of sub-shot-noise quantum imaging. Nature Photonics 4, 227–230 (2010).
- Akatev, D.; Meng, Y.; Brewer, J. et al. Broadly tunable quantum-enhanced Raman microscopy for advancing bioimaging. Optica Quantum 4, 108–113 (2026).
- Boyd, R. W. Nonlinear Optics. 2nd ed. Elsevier, 2002.
- Mandel, L.; Wolf, E. Optical Coherence and Quantum Optics. Cambridge University Press, 2013.