1. Ciencia

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
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