Catedra UNAL 2013
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Fotones individuales y enredados: cómo generarlos, caracterizarlos y utilizarlos en el laboratorio Alejandra Valencia Laboratorio de óptica cuántica-Depto Física Universidad de los Andes Coloquio Universidad Nacional Bogotá, Colombia Marzo 6/ 2013 Contenido Fuentes de luz • Pares de fotones enredados • Generación SPDC • Caracterización En tiempo En frecuencia En polarización • Fotones individuales • Usos Metrología cuántica Información cuántica Fuentes de luz • Sol • bombillo • LED • OLED • Láser luz: herramienta “para todo” • iluminar, ver • • • • • • • • codificar, comunicar cortar, soldar marcar, etiquetar coger, sujetar, atrapar mover, deformar calentar, enfriar diagnosticar, curar … Fuentes de luz • Fotones individuales • Pares de fotones 1 n 1 2 n 2 Laboratorio de óptica cuántica Uniandes-Bogotá David Guzmán Alejandra Valencia Luis Quiroga Ferney Rodríguez Contenido Fuentes de luz • Pares de fotones enredados • Generación SPDC • Caracterización En tiempo En frecuencia En polarización • Fotones individuales • Usos Metrología cuántica Información cuántica Pares de fotones enredados 1 1 2 2 Estado separable Cuando el estado del sistema se describe por el producto directo de los estados individuales de cada sub-sistema. Los dos sub-sistemas correlaciones. (partículas individuales) no presentan 1 2 Interaction Region 1 2 El estado final del sistema no se puede escribir como el producto directo de los estados de las partículas individuales. Estado enredado Los dos sub-sistemas (partículas individuales) están correlacionadas. Cuando grandes distancias separan las partículas, de tal manera que ya no existe interacción entre ellas, la correlación sigue existiendo sin importar la distancia que las separe. Estado EPR Einstein, Poldosky, Rosen, Phys. Rev. 47, 777 (1935). EPR‐Bohm state David Bohm. Quantum Theory. Dover, New York (1951). 1 1 2 1 2 2 Fotones enredados: Einstein vs Bohr “Spooky action at a distance” ¿ existe el enredamiento en la naturaleza? Fuentes de estados enredados • 1950… Positronium emission Dos fotones altamente energéticos se crean como resultado de la aniquilación de un electrón y un positrón • 1960… Atomic Cascade Un átomo se excita y decae emitiendo dos fotones. 1 4p2 So 551.3 nm 1 4s2 So • 1980… 1 4s 4p P1 422.7 nm Spontaneous Parametric Down Conversion (SPDC) Contenido Fuentes de luz • Pares de fotones enredados • Generación SPDC • Caracterización En tiempo En frecuencia En polarización • Fotones individuales • Usos Metrología cuántica Información cuántica SPDC: Fuente conveniente de pares de fotones enredados ω s ωi ω p Pump ks ki k p ( 2) 3 d k s d ki (k p k s ki ) ( p s i )as (k s )ai (ki ) 0,0 3 Enredamiento SPDC: Fuente conveniente de pares de fotones enredados Pump •Type-I Polarizacion de Signal igual a la polarización del idler (2) • Type-II Polarizacion de Signal Perpendicular a la polarización del idler Generación de pares de fotones enredados Pump ( 2) Pares de fotones Pump ( 2) Pares de fotones enredados Pump Type II‐ Nocolinear HV VH 2 ( 2) Pares de fotones Pump ( 2) Type I‐ Nocolinear 1 H H 2 Type I y type II‐ Colinear Type-II Type-I HV VH 2 1 H1H 2 2 emparejado Pump Signal Idler 1 H H V V 2 Type I y type II‐ Colinear Type-II Type-I emparejado Contenido Fuentes de luz • Pares de fotones enredados • Generación SPDC • Caracterización En tiempo En frecuencia En polarización • Fotones individuales • Usos Metrología cuántica Información cuántica Fotones individuales anunciados Fotones individuales 1 n 1 1 n 1 1 n 1 1 n 1 Fotones individuales - Atenuación de pulsos de luz - Átomos en cavidades - Iones en cavidades - Puntos cuánticos - Nano cristales de diamante - Moléculas - SPDC Contenido Fuentes de luz • Pares de fotones enredados • Generación SPDC • Caracterización En tiempo En frecuencia En polarización • Fotones individuales • Usos Metrología cuántica Información cuántica Fotones individuales Pump ( 2) Fotones individuales 1 n 1 No conteos simultaneos Contenido Fuentes de luz • Pares de fotones enredados • Generación SPDC • Caracterización En tiempo En frecuencia En polarización • Fotones individuales • Usos Metrología cuántica Información cuántica Caracterización de fuentes de luz Color Forma espacial Polarización Coherencia Medidas de la función de correlación temporal de segundo orden Polarización Medidas proyectivas de polarización: Medida de desigualdad de Bell en Uniandes Láser 405nm Cristal BBO Type-II PBS1 DH1 HWP1 DV1 PBS2 DH2 HWP2 DV2 Violación experimental Distribución de enredamiento free-space distribution of entangled photons free-space distribution of entangled photons Science 301 (2003) 621-623 Optics Express, Vol. 13, Issue 1, pp. 202-209 (2005) Distribución de enredamiento free-space distribution of entangled photons Nature Physics 3, 481 - 486 (2007) Space Quest frecuencia Correlaciones en frecuencia para pares SPDC D1 M1 C.C CW Pump M2 D2 Correlaciones en frecuencia M. Hendrych, X. Shi, A. Valencia, J. P. Torres Phys. Rev. A 79, 023817 (2009) Temporal correlación temporal de segundo orden joint counts t1 Fuente de luz Histograma t1 t 2 t2 ( ) ( ) () () G (r1 , t1 ; r2 , t 2 ) E (r1 , t1 ) E (r2 , t 2 ) E (r2 , t 2 ) E (r1 , t1 ) ( 2) Number of joint counts Medidas de la función de correlación temporal de segundo orden t1 t 2 Clicking time of detector 1 minus clicking time of detector 2 correlación temporal de segundo orden para fuente de luz coherente: Láser Láser correlación temporal de segundo orden para fuente de luz pseudotermica correlación temporal de segundo orden para pares de fotones enredados t1 t2 correlación temporal de segundo orden para fotones individuales anunciados tB tB’ tA Fotones individuales 1 n 1 No conteos simultaneos correlación temporal de segundo orden para fotones individuales anunciados tB tB’ tA Contenido Fuentes de luz • Pares de fotones enredados • Generación SPDC • Caracterización En tiempo En frecuencia En polarización • Fotones individuales • Usos Metrología cuántica Información cuántica Aplicaciones en metrología • Correlaciones muy delgadas de los pares de fotones de SPDC Correlación temporal Correlación en frecuencia Aplicaciones en información cuántica • Fotones como qubits Polarización Forma espacial Forma espectral Aplicaciones en información cuántica • Qbits Single Photon Source Polarización Camino Aplicaciones en información cuántica • Interferencia de dos fotones: operación básica para computación cuántica Delay Interferencia de dos fotones: Miguel A. Vargas David Pardo David Guzmán Resumen Pares de fotones enredados Fotones individuales anunciados Generación: • SPDC • Realización experimental en Uniandes • SPDC • Realización experimental en Uniandes • Correlaciones en frecuencia • Correlación temporal de segundo orden Caracterización: • Correlación en polarización Usos: • Información cuantica Mediciones en Uniandes para: Láser Pseudo-térmica Pares enredados Fotones individuales Mediciones en Uniandes para: Violación de desigualdades de Bell Mediciones en Uniandes: Interferometría de dos fotones Generación de qbits Laboratorio de óptica cuántica en Uniandes-Bogotá http://opticacuantica.uniandes.edu.co David Guzmán—Alejandra Valencia Fin Theoretical background Wave Plates • Quarter wave plate λ ସ λൗ ସ 3/6/2013 λൗ ିଵ ସ 60 Theoretical background Wave Plates • Half wave plate λ ଶ 3/6/2013 61
