A interação luz-matéria é uma ferramenta usada para conectar, emaranhar, sondar e manipular sistemas quânticos. Para potencializar novas tecnologias quânticas, é necessário criar estados emaranhados, onde suas correlações exclusivas podem ser exploradas para obter vantagens que não são permitidas na física clássica. Além disso, diferentes sistemas precisam interagir uns com os outros para alavancar seus pontos fortes na execução de tarefas específicas. Naturalmente, enfrentamos o desafio de criar emaranhamento entre diferentes faixas do espectro eletromagnético para construir hardware quântico que não se limite a um sistema específico com uma porta de entrada/saída. Nesta tese, exploramos o Oscilador Paramétrico Ótico (OPO) como uma fonte de estados emaranhados multicor. O OPO é um dispositivo óptico não linear comumente usado em óptica quântica; no entanto, devido à complexidade envolvida na medição de correlações quânticas entre cores diferentes, a abordagem usual concentrase em uma operação de estado monocromático. Estudamos duas condições onde o uso de emaranhamento multicor é um recurso promissor: - Emaranhamento de duas cores para redução de ruído quântico em interferômetros detectores de ondas gravitacionais (GWD), conforme requerido na proposta [1]. Gerando estados de vácuo emaranhados em 1064 nm e 852 nm com bandas laterais até frequências de áudio, o OPO fornece a conexão entre o interferômetro e um conjunto de átomos de césio. Neste protocolo, um referencial de massa negativa formado pelo conjunto de spin atômico é usado para remover o ruído quântico no sinal de onda gravitacional medido. - Emaranhamento de três cores para uma rede quântica entre átomos de rubídio e fotônica de silício. Novas tecnologias para alcançar escalabilidade precisam ser miniaturizadas e este projeto direciona redes quânticas para o reino da fotônica de silício. Obtendo o emaranhamento entre comprimentos de onda compatíveis com átomos de rubídio (linha D1 795 nm) e tecnologia CMOS (1608 nm), buscamos a ideia de realizar protocolos de teletransporte quântico em chip. Como resultado da primeira meta, violamos os critérios de separabilidade: Var [X-] + Var [Y+] = 0,32 < 2, até 350 kHz. Até onde sabemos, corresponde ao mais alto emaranhamento de cores distintas medido em variáveis contínuas. Este é o primeiro passo para a implementação de um link entre um GWD e um conjunto atômico. Usando esse resultado, os cálculos mostram que um ganho de sensibilidade de 6 dB pode ser alcançado. Em relação ao segundo objetivo, obtemos os parâmetros clássicos do OPO. Para a operação acima do limiar de oscilação, o ruído de fase que depende da temperatura e da potência intracavidade deteriora o emaranhamento de três cores. Mitigamos essas contribuições obtendo casamento de fase para 795 nm e 1608 nm na temperatura -43C e um limiar de oscilação de 5 mW. Esses resultados prometem resolver problemas técnicos de longa data que estavam limitando trabalhos anteriores de nosso grupo para alcançar uma interface quântica átomo-luz.

Light-matter interaction is a toolbox used to link, entangle, probe, and manipulate quantum systems. To power new quantum technologies, its necessary to create entangled states where their unique correlations can be explored to gain advantages not allowed in classical physics. Furthermore, different systems need to interact with each other to leverage their strengths in performing specific tasks. Naturally, we face the challenge of creating entanglement between different electromagnetic spectrum ranges to build quantum hardware that is not limited to a particular system with one input/output port. In this thesis, we explore the Optical Parametric Oscillator (OPO) as a source of multicolor entangled states. The OPO is a nonlinear optical device commonly used in quantum optics; is often used in simple monochromatic operations, but working on multicolor configurations reveals relevant possible applications. We study two of these conditions where multicolor entanglement is a promising resource. - Two-color entanglement for quantum noise evasion in interferometric GravitationalWave Detectors (GWD), as required in the proposal [1]. Generating entangled vacuum states at 1064 nm and 852 nm in sidebands down to audio frequencies, the OPO connects the interferometer and an ensemble of Cesium atoms. In this protocol, a negative mass reference frame formed by the atomic spin ensemble is used to overcome the quantum noise in the measured gravitational wave signal. - Three-color entanglement for a quantum network between Rubidium atoms and silicon photonics. New technologies to achieve scalability have to be miniaturized, and this project addresses quantum networks to the realm of silicon photonics. Obtaining entanglement between wavelengths compatible with rubidium atoms (D1 line 795 nm) and CMOS technology (1608 nm), we pursue the idea to perform quantum teleportation protocols on-chip. As a result for the first goal, we violate the separability criterion: Var[X-] + Var[ Y+] = 0.32 < 2, down to 350 kHz. To the best of our knowledge, it corresponds to the highest two-color entanglement measured in continuous variables. This is the first step into the implementation of a link between a GWD and an atomic ensemble. As a result, calculations show that 6 dB sensitivity gain can be achieved. Regarding the second goal, we obtain the OPO classical parameters. For the above oscillation threshold operation, phase noise that depends on temperature and intracavity power deteriorates three-color entanglement. We mitigate these contributions by obtaining phase matching for 795 nm and 1608 nm at temperature -43C and an oscillation threshold of 5 mW. These results promise to solve long-standing technical problems that were limiting our groups earlier works to achieve an atom-light quantum interface.