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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.43.2022.tde-25042023-170558
Document
Author
Full name
Alvaro Montaña Guerrero
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2022
Supervisor
Committee
Martinelli, Marcelo (President)
Aguilar, Gabriel Horacio
Alfonso, Nestor Felipe Caticha
Pinto, Diogo de Oliveira Soares
Saldanha, Pablo Lima
Title in Portuguese
Investigando as propriedades quânticas do campo no oscilador paramétrico ótico baseado em átomos de rubídio
Keywords in Portuguese
Emaranhamento
Interação da luz com a matéria
Oscilador paramétrico ótico
Ótica não linear
Ótica quântica
Abstract in Portuguese
Na presente tese, mostramos a medida de emaranhamento em um oscilador paramétrico ótico (OPO) baseado no processo paramétrico de mistura de quatro ondas (FWM) em vapor de 85Rb, acima do limiar de oscilação. Esta corresponde à primeira medida de emaranhamento em um OPO com susceptibilidade 3. O FWM, processo base para a construção deste OPO, acontece em meios não lineares tipo 3, como é o caso do isótopo de 85Rb. Previamente à construção do OPO, realizamos a revisão da teoria clássica e quântica do FWM, assim como a obtenção experimental do processo de FWM ao redor da linha D1 de absorção do 85Rb. O alto ganho do processo de FWM e o uso de cavidades abertas permitiu projetar a construção de um OPO duplamente ressonante, o qual gera dois feixes conhecidos como sinal e complementar. Mostramos a primeira medida de compressão de ruído entre os feixes sinal e complementar gerados pelo nosso OPO, com um máximo nível de compressão na diferença de intensidade de -2.7 dB [1]. A compressão de ruído é robusta para potências altas do feixe de bombeio, o que permitiu a operação estável do OPO até valores de até quatro vezes acima do limiar de oscilação. Além disso, reconstruímos a matriz de covariância associada ao estado dos dois feixes. A matriz de covariância permite realizar o teste de emaranhamento, usando os critérios de Duan et. al. [2] e de Simon [3]. Mostramos, pela primeira vez, a geração de emaranhamento entre os dois feixes gerados pelo OPO [4], demonstrando a violação no critério de Duan, com um valor máximo de 2 p-+2 q+=1.56 (14). Mediante o uso do critério de Simon, conseguimos estudar o emaranhamento entre as diferentes bandas laterais do sistema, com um nível de emaranhamento maior para pares de bipartições específicas. Mostramos que a densidade atômica é um fator determinante para a geração e perda de correlações quânticas. A geração de feixes emaranhados com um OPO atômico trabalhando perto da ressonância de átomos alcalinos permite a integração natural em redes quânticas.
Title in English
Investigating the quantum properties of the field in the optical parametric oscillator based on rubidium atoms
Keywords in English
Entanglement
Light-Matter Interaction
Nonlinear Optics
Optical Parametric Oscillator
Quantum Optics
Abstract in English
In the present thesis, we show the measurement of entanglement in an optical parametric oscillator (OPO) based on the parametric four-wave mixing process (FWM) in 85Rb vapor, above the oscillation threshold. This corresponds to the first measure of entanglement in an OPO with susceptibility 3. The FWM, the base process for the construction of this OPO, takes place in 3 non-linear media, as is the case with the isotope of 85Rb. As a preliminary to the construction of the OPO, we carried out a review of the classical and quantum theory of the FWM, as well as the experimental obtained of the FWM process around the D1 line of absorption of the 85Rb. The high gain of the FWM process and the use of open cavities allows the design and the construction of a doubly resonant OPO, which generates two beams known as signal and complementary. We show the first squeezing measurement between the signal and complementary beams generated by our OPO, with a maximum squeezing level at the intensity difference of -2.7 dB [1]. Squeezing is robust for high pump beam powers, which allows stable operation of the OPO at values up to four times the threshold. In addition, we reconstruct the covariance matrix associated with the state of the two beams. The covariance matrix allows performing the entanglement test, using the criteria of Duan et. al. [2] and Simon [3]. We show, for the first time, entanglement between the two beams generated by the OPO [4], demonstrating the violation of Duan's criterion, with a maximum value of 2 p-+2 q+=1.56 (14). By using Simon's criterion, we were able to study the entanglement between the different sidebands of the system, with a higher entanglement level for specific bipartition pairs. We show that atomic density is a determining factor for the generation and loss of quantum correlations. The generation of entangled beams with an atomic OPO working close to the resonance of alkali atoms, allows for natural integration into quantum networks.
 
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Publishing Date
2023-05-11
 
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