Momentum de um átomo absorvendo luz em um gás e uso de memória quântica para gerar fótons com modos espaciais controlados

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: João Guilherme Lara Condé
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Minas Gerais; Brasil; ICX - DEPARTAMENTO DE FÍSICA; Programa de Pós-Graduação em Física; UFMG
• Palavras-chave em Português: Óptica quântica; Informação quântica; Eletromagnetismo; Átomos
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/1843/63989

Nessa tese tratamos de dois trabalhos distintos, ambos relacionados a fenômenos de interação entre luz e átomos. O primeiro trabalho tem como objetivo avaliar a troca de momentum e energia entre um pulso de onda plana e um átomo imerso em um meio material através de um modelo microscópico clássico. Comparamos nosso resultado com as formulações de Abraham e Minkowski para o momentum de uma onda eletromagnética se propagando em um meio material. A formulação de Abraham prevê que o momentum da onda deve ser (1/n)E/c, em que E é a sua energia, c a velocidade da luz no vácuo e n o índice de refração do meio. Já a formulação de Minkowski prevê um momentum igual a nE/c. Aqui avaliamos o momentum recebido por um átomo por uma onda eletromagnética em um meio dielétrico linear não-magnético, não-dispersivo e com índice de refração próximo de 1. Tratamos o átomo classicamente como um oscilador harmônico. Tratamos o meio microscopicamente como uma coleção de dipolos elétricos que geram uma segunda onda eletromagnética que se superpõe com a onda incidente. Mostramos que a superposição dessas ondas transfere para o átomo um momentum proporcional ao índice de refração, mas menor que o momento de Minkowski. No segundo trabalho exploramos a interação entre luz e átomos frios, e como ela pode ser usada para armazenar informação quântica e manipular estados quânticos. Estados quânticos codificados em luz são amplamente utilizados em aplicações de computação e telecomunicação quântica por sua velocidade rápida de transmissão em meios transparentes, apresentar pouco ruído e alta coerência. Um grau de liberdade útil para essa tarefa é o modo espacial. Luz, por outro lado, é difícil de se armazenar por grandes períodos de tempo, o que levou ao desenvolvimento de protocolos de transferência de informação da luz para átomos frios para possibilitar o armazenamento. Entre esses protocolos, destacamos o esquema DLCZ para memórias quânticas. Utilizando os recursos tratados, propomos um protocolo original que permite criar qudits codificados em modos Hermite-Gaussianos ou Laguerre-Gaussianos de fótons únicos a partir de feixes clássicos interagindo com memórias quânticas. Mostramos como a informação clássica codificada em modos espaciais de um campo eletromagnético clássico pode ser transformada em informação quântica. Fazemos o tratamento teórico quântico que demonstra quantitativamente a validade do nosso protocolo. Mostramos as condições necessárias e o regime em que um fóton pode ser produzido com o mesmo modo espacial de um feixe clássico com certa Ądelidade. Também propomos uma maneira de simular o emaranhamento produzido pelo decaimento espontâneo e a emissão e detecção de um fóton por um de dois átomos inicialmente excitados com esse esquema.