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

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

3 Problema: Se dividirmos um feixe de luz ao meio (em duas partes iguais) e subtrairmos a potência medida em cada feixe, qual o resultado ? i1i1 i2i2 - Medida ? i sub

4 Problema: i1i1 i2i2 - Medida ? i sub Classicamente: i sub = 0 Quanticamente: photons are clicks on photodetectors (A. Zeilinger) = 0, 2 i sub > 0 !

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

6 Hamiltoniana do campo Oscilador Harmônico E(t)=Re[ exp(i t)] Relação de comutação Operadores hermitianos Autoestados Natureza quântica do campo eletromagnético X Y1 Ê(t)=Re[ exp(i t)]

7 X Y Estados coerentes Natureza quântica do campo eletromagnético Estados do campo Representação de Fresnel Representação de Wigner

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

9 Ê Medida do campo

10 X Y p q Medida do campo – domínio do tempo

11 Medida do campo – domínio da frequência

12 Analisador de Espectro

13 Medida do campo – domínio da frequência Campo clássico Estado coerente Estado comprimido

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

15 ± BS D2 D1 S.A. Medindo o campo Homodinagem Se Homodinagem do vácuo Calibração do ruído quântico padrão

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

17 Calibração de shot noise ^ ^ b D1D1 a Divisor de Feixe c D2D2 d ^ ^ ^ Perdas a0a0 b0b0 ^

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19 Resultados experimentais Calibração de fotodetetores

20 Resultados experimentais Teste do laser

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

22 Problema: Se dividirmos um feixe de luz ao meio (em duas partes iguais) e subtrairmos a potência medida em cada feixe, qual o resultado ? i1i1 i2i2 - Medida ? i sub Podemos ter i sub = 0 ?

23 Geração de Feixes Gêmeos 1 out (t) 2 out (t) 0 in (t) Dividindo o fóton em um processo paramétrico! Intensidades dos feixes de saída são fortemente correlacionadas. 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. i 2 | 2 out | 2 - Spectrum Analyzer i 1 | 1 out | 2

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

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

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

27 X Y Medida de Fase com Cavidade Ótica P. Galatola, L. A. Lugiato, M. G. Porreca, P. Tombesi, and G. Leuchs, Opt. Commun. 85, 95 (1991). a in (Entrada) a out (Reflexão) Cavidade Ótica b in (Vácuo) b out (Transmissão)

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

29 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

30 He-Ne P1 potência P2 balanceio D1D1 D2D2 +/- GER. FUNÇÕES


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