Emissão superradiante de 1 e 2 fótons por uma memória quântica de átomos frios

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Davi de Freitas Barros
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/37495
https://orcid.org/0000-0001-6818-0042
Resumo: Neste trabalho, utilizamos uma memória quântica formada por uma nuvem de átomos de 3 níveis para estudar a dinâmica de emissão de luz em estado de Fock contendo uma ou duas excitações, explicitando o caráter superradiante nestes processos. Um feixe laser de escrita pode induzir transições nesses átomos deixando uma ou duas excitações coerentemente distribuídas na nuvem, armazenando informação. Posteriormente, um feixe laser de leitura retira essas excitações na forma de fótons que são emitidos de forma superradiante e num modo que depende da informação armazenada. Com este tipo de arranjo, é possível atestar o caráter quântico da luz e garantir que uma formulação semi-clássica é inadequada para descrever o fenômeno. Como elemento principal, desenvolvemos uma teoria analítica para a interação dos átomos com a luz, obtendo o perfil espaço-temporal da emissão e demonstrando que os fótons gerados na leitura se acoplam a um modo do campo conjugado ao utilizado durante a escrita para preparar o estado da nuvem. De acordo com a teoria, o pacote de onda de dois fótons é consistente com o perfil temporal obtido na emissão de fótons independentes e idênticos ao obtido na emissão superradiante de um único fóton. Estas conclusões são comparadas com experimentos de armazenamento de informação quântica por nuvens de átomos frios realizados pelo grupo de ótica quântica da UFPE, em que podemos constatar uma boa concordância entre os resultados experimentais e as previsões teóricas. Esses estudos permitiram a caracterização, pela primeira vez, da emissão superradiante de dois fótons por um conjunto de átomos.
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Com este tipo de arranjo, é possível atestar o caráter quântico da luz e garantir que uma formulação semi-clássica é inadequada para descrever o fenômeno. Como elemento principal, desenvolvemos uma teoria analítica para a interação dos átomos com a luz, obtendo o perfil espaço-temporal da emissão e demonstrando que os fótons gerados na leitura se acoplam a um modo do campo conjugado ao utilizado durante a escrita para preparar o estado da nuvem. De acordo com a teoria, o pacote de onda de dois fótons é consistente com o perfil temporal obtido na emissão de fótons independentes e idênticos ao obtido na emissão superradiante de um único fóton. Estas conclusões são comparadas com experimentos de armazenamento de informação quântica por nuvens de átomos frios realizados pelo grupo de ótica quântica da UFPE, em que podemos constatar uma boa concordância entre os resultados experimentais e as previsões teóricas. Esses estudos permitiram a caracterização, pela primeira vez, da emissão superradiante de dois fótons por um conjunto de átomos.In this work, we consider a quantum memory formed by an ensemble of 3-level atoms to study the emission of light in a Fock state for one and two excitations, exhibiting the superradiant character in these processes. In this setup, a writing laser beam may induce quantum transitions between pairs of levels, leaving either one or two of these atoms excited in an appropriate coherently distributed state across the cloud, thus storing quantum information. After that, a reading laser beam extracts this information in the form of one or two photons, respectively, in a superradiant emission at a specific mode of the electromagnetic field that depends on the details of the stored state. Then, we can certify the quantum nature of light, making sure that a semi-classical approach is inadequate to describe this phenomenon. The central point is the development of an analytical theory for the interaction between atoms and light in this context. We find the beam’s spatio-temporal profile, showing that the modes in which the generated read and write photons are counterpropagating. Following the theory, the two-photon wavepacket is consistent with the profile obtained for two independent photons, each identical to the one achieved for a single superradiant emission. These conclusions match with experimental studies of quantum information storage by a cloud of cold atoms realized by the quantum optics group at UFPE, where we notice a good agreement between theory and experiment. These studies allowed the first characterizations of the superradiant emission of two photons by an atomic ensemble.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoporUniversidade Federal de Minas GeraisPrograma de Pós-Graduação em FísicaUFMGBrasilICX - DEPARTAMENTO DE FÍSICARadiaçãoÁtomosÓptica quânticaFótonsSuperradiânciaÁtomos friosMemória quânticaÓptica quânticaEmissão superradiante de 1 e 2 fótons por uma memória quântica de átomos friosSuperradiant emission of 1 and 2 photons by a quantum memory of cold atomsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMGORIGINALtesefinal.pdftesefinal.pdfapplication/pdf7731515https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/37495/1/tesefinal.pdfd6f0b64e45c5cd44e610ce9672fb7b9bMD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82118https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/37495/2/license.txtcda590c95a0b51b4d15f60c9642ca272MD521843/374952021-08-15 10:43:32.572oai:repositorio.ufmg.br:1843/37495TElDRU7Dh0EgREUgRElTVFJJQlVJw4fDg08gTsODTy1FWENMVVNJVkEgRE8gUkVQT1NJVMOTUklPIElOU1RJVFVDSU9OQUwgREEgVUZNRwoKQ29tIGEgYXByZXNlbnRhw6fDo28gZGVzdGEgbGljZW7Dp2EsIHZvY8OqIChvIGF1dG9yIChlcykgb3UgbyB0aXR1bGFyIGRvcyBkaXJlaXRvcyBkZSBhdXRvcikgY29uY2VkZSBhbyBSZXBvc2l0w7NyaW8gSW5zdGl0dWNpb25hbCBkYSBVRk1HIChSSS1VRk1HKSBvIGRpcmVpdG8gbsOjbyBleGNsdXNpdm8gZSBpcnJldm9nw6F2ZWwgZGUgcmVwcm9kdXppciBlL291IGRpc3RyaWJ1aXIgYSBzdWEgcHVibGljYcOnw6NvIChpbmNsdWluZG8gbyByZXN1bW8pIHBvciB0b2RvIG8gbXVuZG8gbm8gZm9ybWF0byBpbXByZXNzbyBlIGVsZXRyw7RuaWNvIGUgZW0gcXVhbHF1ZXIgbWVpbywgaW5jbHVpbmRvIG9zIGZvcm1hdG9zIMOhdWRpbyBvdSB2w61kZW8uCgpWb2PDqiBkZWNsYXJhIHF1ZSBjb25oZWNlIGEgcG9sw610aWNhIGRlIGNvcHlyaWdodCBkYSBlZGl0b3JhIGRvIHNldSBkb2N1bWVudG8gZSBxdWUgY29uaGVjZSBlIGFjZWl0YSBhcyBEaXJldHJpemVzIGRvIFJJLVVGTUcuCgpWb2PDqiBjb25jb3JkYSBxdWUgbyBSZXBvc2l0w7NyaW8gSW5zdGl0dWNpb25hbCBkYSBVRk1HIHBvZGUsIHNlbSBhbHRlcmFyIG8gY29udGXDumRvLCB0cmFuc3BvciBhIHN1YSBwdWJsaWNhw6fDo28gcGFyYSBxdWFscXVlciBtZWlvIG91IGZvcm1hdG8gcGFyYSBmaW5zIGRlIHByZXNlcnZhw6fDo28uCgpWb2PDqiB0YW1iw6ltIGNvbmNvcmRhIHF1ZSBvIFJlcG9zaXTDs3JpbyBJbnN0aXR1Y2lvbmFsIGRhIFVGTUcgcG9kZSBtYW50ZXIgbWFpcyBkZSB1bWEgY8OzcGlhIGRlIHN1YSBwdWJsaWNhw6fDo28gcGFyYSBmaW5zIGRlIHNlZ3VyYW7Dp2EsIGJhY2stdXAgZSBwcmVzZXJ2YcOnw6NvLgoKVm9jw6ogZGVjbGFyYSBxdWUgYSBzdWEgcHVibGljYcOnw6NvIMOpIG9yaWdpbmFsIGUgcXVlIHZvY8OqIHRlbSBvIHBvZGVyIGRlIGNvbmNlZGVyIG9zIGRpcmVpdG9zIGNvbnRpZG9zIG5lc3RhIGxpY2Vuw6dhLiBWb2PDqiB0YW1iw6ltIGRlY2xhcmEgcXVlIG8gZGVww7NzaXRvIGRlIHN1YSBwdWJsaWNhw6fDo28gbsOjbywgcXVlIHNlamEgZGUgc2V1IGNvbmhlY2ltZW50bywgaW5mcmluZ2UgZGlyZWl0b3MgYXV0b3JhaXMgZGUgbmluZ3XDqW0uCgpDYXNvIGEgc3VhIHB1YmxpY2HDp8OjbyBjb250ZW5oYSBtYXRlcmlhbCBxdWUgdm9jw6ogbsOjbyBwb3NzdWkgYSB0aXR1bGFyaWRhZGUgZG9zIGRpcmVpdG9zIGF1dG9yYWlzLCB2b2PDqiBkZWNsYXJhIHF1ZSBvYnRldmUgYSBwZXJtaXNzw6NvIGlycmVzdHJpdGEgZG8gZGV0ZW50b3IgZG9zIGRpcmVpdG9zIGF1dG9yYWlzIHBhcmEgY29uY2VkZXIgYW8gUmVwb3NpdMOzcmlvIEluc3RpdHVjaW9uYWwgZGEgVUZNRyBvcyBkaXJlaXRvcyBhcHJlc2VudGFkb3MgbmVzdGEgbGljZW7Dp2EsIGUgcXVlIGVzc2UgbWF0ZXJpYWwgZGUgcHJvcHJpZWRhZGUgZGUgdGVyY2Vpcm9zIGVzdMOhIGNsYXJhbWVudGUgaWRlbnRpZmljYWRvIGUgcmVjb25oZWNpZG8gbm8gdGV4dG8gb3Ugbm8gY29udGXDumRvIGRhIHB1YmxpY2HDp8OjbyBvcmEgZGVwb3NpdGFkYS4KCkNBU08gQSBQVUJMSUNBw4fDg08gT1JBIERFUE9TSVRBREEgVEVOSEEgU0lETyBSRVNVTFRBRE8gREUgVU0gUEFUUk9Dw41OSU8gT1UgQVBPSU8gREUgVU1BIEFHw4pOQ0lBIERFIEZPTUVOVE8gT1UgT1VUUk8gT1JHQU5JU01PLCBWT0PDiiBERUNMQVJBIFFVRSBSRVNQRUlUT1UgVE9ET1MgRSBRVUFJU1FVRVIgRElSRUlUT1MgREUgUkVWSVPDg08gQ09NTyBUQU1Cw4lNIEFTIERFTUFJUyBPQlJJR0HDh8OVRVMgRVhJR0lEQVMgUE9SIENPTlRSQVRPIE9VIEFDT1JETy4KCk8gUmVwb3NpdMOzcmlvIEluc3RpdHVjaW9uYWwgZGEgVUZNRyBzZSBjb21wcm9tZXRlIGEgaWRlbnRpZmljYXIgY2xhcmFtZW50ZSBvIHNldSBub21lKHMpIG91IG8ocykgbm9tZXMocykgZG8ocykgZGV0ZW50b3IoZXMpIGRvcyBkaXJlaXRvcyBhdXRvcmFpcyBkYSBwdWJsaWNhw6fDo28sIGUgbsOjbyBmYXLDoSBxdWFscXVlciBhbHRlcmHDp8OjbywgYWzDqW0gZGFxdWVsYXMgY29uY2VkaWRhcyBwb3IgZXN0YSBsaWNlbsOnYS4KRepositório de PublicaçõesPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oaiopendoar:2021-08-15T13:43:32Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)false
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