Nuevas tecnologías en fuentes de luz no clásicas con aplicación en metrología cuántica : mediciones de la transmisión de una muestra
En este trabajo de Tesis se estudiaron teórica y experimentalmente dos fuentes de luz con características cuánticas: una fuente de fotones individuales, denominada BinMux, y una fuente de haces gemelos o twin-beams. Estas se basan en el proceso cuántico de generación de pares de fotones por conversi...
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| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis Doctoral |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2022
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7310_Magnoni |
| Aporte de: |
| Sumario: | En este trabajo de Tesis se estudiaron teórica y experimentalmente dos fuentes de luz con características cuánticas: una fuente de fotones individuales, denominada BinMux, y una fuente de haces gemelos o twin-beams. Estas se basan en el proceso cuántico de generación de pares de fotones por conversión paramétrica descendente (SPDC), utilizando como recurso el entrelazamiento en el número de fotones del estado bipartito de salida. El objetivo es utilizar las correlaciones presentes en los fotones para, en el primer caso, modificar la estadística de emisión convirtiéndola en una distribución sub-poissoniana. Esta reducción en la dispersión de la variable aleatoria número de fotones permite traspasar límites clásicos de precisión (shot-noise limit) en la estimación de parámetros que interactúen con ese grado de libertad, como por ejemplo la transmisión óptica de una muestra. En el segundo caso, se busca diseñar una disposición experimental que detecte ambos haces y preserve de la mejor manera posible la correlación espacial entre ellos, para luego utilizar uno como referencia y otro como prueba en un experimento de estimación de parámetros, que también supere los límites clásicos de precisión. En el caso de la fuente BinMux, se propuso y estudió la adición de un sistema de multiplexado temporal a la etapa de generación de pares. El efecto es el de aumentar la probabilidad de obtener un fotón único a la salida, disminuyendo tanto los pulsos vacíos como los multifotónicos. Esto se realiza utilizando la información temporal de uno de los dos fotones para elegir el camino que el otro debe atravesar, imponiendo así un retardo temporal específico que sincronice la salida con cada período de un reloj externo. Se construyó el modelo teórico de la estadística de emisión de la fuente, comprobando su fuerte característica sub-poissoniana. Los resultados muestran que, para un determinado conjunto de parámetros, se puede aumentar la relación señal-ruido en un factor 8 comparado al caso de una fuente poissoniana del mismo brillo. El modelo estadístico representa una herramienta fuerte para describir el desempeño de la fuente con diferentes componentes ópticos. Asimismo, se realizó la implementación experimental en el laboratorio, en la que se midió la mejora en la estadística de emisión al incorporar la etapa de multiplexado. En el caso de la fuente de haces gemelos o twin-beams, se diseñó una configuración experimental con detección basada en sensores Skipper-CCD, un novedoso detector con la capacidad de medir la carga de cada píxel de manera no destructiva. Esta propiedad implica, tener resolución de número de fotones para longitudes de onda del infrarrojo cercano. Incorporar este sensor ayuda a reducir la relación señal-ruido de los fotones detectados, especialmente en un régimen de intensidad bajo, en donde el error de lectura es significativo en términos relativos. La implementación experimental conllevó la puesta en modo operativo de uno de los dos únicos sensores Skipper-CCD de la Argentina, en la primer aplicación en óptica cuántica de los detectores a nivel mundial, y permitió detectar anillos de SPDC tipo II y realizar un estudio preliminar de las correlaciones presentes. Asimismo, se estudió de manera teórica el potencial desempeño de la fuente de fotones individuales en un experimento de metrología cuántica, específicamente en la estimación de la transmisión de una muestra. Esto se realizó tanto para detección con resolución de número de fotones como para detección de umbral, aprovechando la emisión de fotones individuales de la fuente. Este estudio tuvo como resultado la posibilidad de obtener ventaja cuántica en la precisión con la que puede estimarse la transmisión, en todo el rango de valores posible y con ambos tipos de detectores. Los factores de mejora dependen de la intensidad media incidente sobre la muestra y del valor real de la transmitancia que se busca estimar. En el caso con resolución de número, la estimación es no sesgada, lo que implica que puede reducirse la incerteza relativa todo lo que se desee al realizar repeticiones del experimento, y los factores de mejora que pueden alcanzarse llegan a ser de hasta 1.6, lo que implica una mejora del 60 %. En el caso de la detección de umbral, la estimación presenta un sesgo debido a la componente multifotónica de la emisión, pero aún así presenta ventajas cuánticas que pueden arrojar factores de mejora de hasta 2.2 manteniendo un error relativo tan bajo como el 5 %. Sin embargo, en este caso no puede reducirse la incerteza relativa de manera arbitraria con el número de repeticiones. Los experimentos realizados en esta Tesis colaboran con el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas de diseño específico en el ámbito local, que presentan mucho potencial en el área de metrología cuántica. |
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