Contando Quanta de Luz Prof. Marcelo Martinelli

Apresentação em tema: "Contando Quanta de Luz Prof. Marcelo Martinelli"— Transcrição da apresentação:

1 Contando Quanta de Luz Prof. Marcelo Martinelli
Laboratório de Manipulação Coerente de Átomos e Luz

2 Problema: Se dividirmos um feixe de luz “ao meio” (em duas partes iguais) e subtrairmos a potência medida em cada feixe, qual o resultado ? i1 Medida ? i2 isub -

3 ? - Problema: <isub >= 0, D2 isub > 0 ! i1 i2 isub
Medida ? isub Classicamente: isub = 0 Quanticamente: “photons are clicks on photodetectors” (A. Zeilinger) <isub >= 0, D2 isub > 0 !

4 Natureza quântica do campo eletromagnético
Campo eletromagnético monocromático – descrição clássica: Equação de onda -> solução X Y E(t)=Re{a exp[i(kr - wt)]} E(t)=Re[a exp(iwt)] f |a | a = X + i Y E(t)=X cos(wt)+ Y sen(wt) Representação de Fresnel

5 Natureza quântica do campo eletromagnético
Hamiltoniana do campo Oscilador Harmônico Relação de comutação Autoestados Ê(t)=Re[ exp(iwt)] E(t)=Re[a exp(iwt)] Operadores hermitianos D2XD2Y≥1

6 Natureza quântica do campo eletromagnético
Estados do campo Estados coerentes X Y Representação de Fresnel f |a | Representação de Wigner

7 Natureza quântica do campo eletromagnético
Fronteira clássico-quântico Estados comprimidos X Y não podem ser gerados por fontes clássicas Estados com W<0 f |a | Estados de Fock

8 Medida do campo Ê

9 Medida do campo – domínio do tempo
X Y f |a | p q

10 Medida do campo – domínio da frequência

11 Medida do campo – domínio da frequência
Analisador de Espectro

12 Medida do campo – domínio da frequência
Campo clássico Estado coerente Estado comprimido w w0 - W w0 w0 + W

13 Transformação unitária com dois campos
Divisor de Feixe a b d c

14 Medindo o campo Homodinagem Homodinagem do vácuo
BS D2 D1 S.A. Homodinagem Se <| |> << <| |> Homodinagem do vácuo Calibração do ruído quântico padrão

15 Shot noise ! Variância “clássica” Homodinagem com o vácuo permite calibrar a deteção com uma referência conhecida, produzindo uma distribuição poissoniana na medida da intensidade (estado coerente)

16 Calibração de shot noise
^ b D1 a Divisor de Feixe c D2 d Perdas h a0 b0

17

18 Resultados experimentais
Calibração de fotodetetores

19 Resultados experimentais
Teste do laser

20 Resultados experimentais
Teste de ruído de intensidade: Laser Nd:YAG dobrado (532 nm) – 5 mW

21 Problema: Se dividirmos um feixe de luz “ao meio” (em duas partes iguais) e subtrairmos a potência medida em cada feixe, qual o resultado ? i1 Medida ? Podemos ter isub = 0 ? i2 isub -

22 - Geração de Feixes Gêmeos a0in(t) a1out(t) a2out(t)
Dividindo o fóton em um processo paramétrico! Intensidades dos feixes de saída são fortemente correlacionadas. a1out(t) a2out(t) a0in(t) i2|2out|2 - Spectrum Analyzer i1|1out|2 Correlação medida pela subtração de fotocorrentes dos detetores. Para longos tempos de integração, as correlações são fortes. Correlações quânticas não são observadas se o tempo de integração é menor que o tempo de vida de um fóton dentro da cavidade.

23 Resultados experimentais
Compressão de ruído: feixes gêmeos OPO W=8 MHz , RBW = 300 kHz

24 Resultados experimentais
Compressão de ruído: bombeio refletido pelo OPO PLO =1,2 mW, PIN =0,45 mW W=6 MHz , RBW = 100 kHz Shot noise, osc. local + feixe prova Shot noise, osc. local Ruído Eletrônico

25 Resultados experimentais
Em especial, técnica de auto-homodinagem: reconstituindo a informação usando a portadora como oscilador local

26 Medida de Fase com Cavidade Ótica
ain (Entrada) aout (Reflexão) Cavidade Ótica bin (Vácuo) bout (Transmissão) X Y P. Galatola, L. A. Lugiato, M. G. Porreca, P. Tombesi, and G. Leuchs, Opt. Commun. 85, 95 (1991).

27 Rotação da Elipse de Ruído
X Y Ruído de amplitude do feixe refletido Dessintonia

28 Conclusões Medida com sistemas de variáveis contínuas => obter flutuações do campo Consequência: Medir estados comprimidos (momento de ordem 2) Reconstrução do estado (tomografia da função de Wigner do campo EM) Eficiência de deteção: detetores comerciais atingem facilmente 50 % da ordem de 99% com bons detetores muito maior que no regime de fotocontagem Com cuidado: Verifique a faixa de frequências (pode chegar a kHz) Proposta experimental: Baixo custo da instrumentação permite montagem para laboratório didático

29 He-Ne D1 D2 P1 potência P2 balanceio +/- GER. FUNÇÕES