The performance of optical measurement systems is ultimately limited by the quantum nature of light. In this thesis, two techniques for circumventing the standard quantum measurement limits are modelled and tested experimentally. These techniques are electro-optic control and the use of squeezed light. An optical parametric amplifier is used to generate squeezing at 1064nm. The parametric amplifier is pumped by the output of a second harmonic generation cavity, which in turn is pumped by a Nd:YAG laser. By using various frequency locking techniques, the quadrature phase of the squeezing is stabilised, therefore making our squeezed source suitable for long term measurements. The best recorded squeezing is 5.5dB (or 70\%) below the standard quantum limit. The stability of our experiment makes it possible to perform a time domain measurement of photocurrent correlations due to squeezing. This technique allows direct visualisation of the quantum correlations caused by squeezed light. On the road to developing our squeezed source, methods of frequency locking optical cavities are investigated. In particular, the tilt locking method is tested on the second harmonic generation cavity used in the squeezing experiment. The standard method for locking this cavity involves the use of modulation sidebands, therefore leading to a noisy second harmonic wave. The modulation free tilt-locking method, which is based on spatial mode interference, is shown to be a reliable alternative. In some cases, electro-optic control may be used to suppress quantum measurement noise. Electro-optic feedback is investigated as a method for suppressing radiation pressure noise in an optical cavity. Modelling shows that the `squashed' light inside a feedback loop can reduce radiation pressure noise by a factor of two below the standard quantum limit. This result in then applied to a thermal noise detection system. The reduction in radiation pressure noise is shown to give improved thermal noise sensitivity, therefore proving that the modified noise properties of light inside a feedback loop can be used to reduce quantum measurement noise. Another method of electro-optic control is electro-optic feedforward. This is also investigated as a technique for manipulating quantum measurements. It is used to achieve noiseless amplification of a phase quadrature signal. The results clearly show that a feedforward loop is a phase sensitive amplifier that breaks the quantum limit for phase insensitive amplification. This experiment is the first demonstration of noiseless phase quadrature amplification. Finally, feedforward is explored as a tool for improving the performance of quantum nondemolition measurements. Modelling shows that feedforward is an effective method of increasing signal transfer efficiency. Feedforward is also shown to work well in conjunction with meter squeezing. Together, meter squeezing and feedforward provide a comprehensive quantum nondemolition enhancement package. Using the squeezed light from our optical parametric amplifier, an experimental demonstration of the enhancement scheme is shown to achieve record signal transfer efficiency of $T_{s}+T_{m}=1.81$.

Nesta dissertação, descreveremos as primeiras medidas de ruído quântico em um oscilador paramétrico ótico (OPO) bombeado em 780 nm, construído no nosso laboratório. Esse OPO servirá de fonte de estados não clássicos da luz para interação com átomos de rubídio. Faremos uma revisão da teoria clássica do OPO: o bombeamento de um cristal não linear inserido dentro de uma cavidade ótica, produzindo dois feixes intensos de luz (sinal e complementar) com cores distintas. Calcularemos as expressões para o limiar de oscilação, potências de saída dos feixes convertidos e compararemos as principais diferenças entre OPOs com cristais do tipo I e tipo II. Analisaremos a descrição quântica do OPO, calcularemos os espectros de ruído para as quadraturas do bombeio refletido e para as quadraturas dos feixes gêmeos. Veremos que o OPO gera feixes com correlações quânticas, como o emaranhamento tripartido, entres os três feixes envolvidos no processo não linear. O cristal não linear utilizado no nosso experimento é um PPKTP tipo I. Ajustando a temperatura do cristal, podemos gerar feixes próximos da degenerescência até uma diferença de comprimentos de onda de aproximadamente 350 nm. A compressão de ruído quântico observado na diferença das amplitudes dos feixes sinal e complementar é 44%(-2.5 dB). O próximo passo é a implementação da técnica da rotação da elipse de ruído por cavidades óticas, para medir os ruídos de fase dos três campos . Fazendo a verificação do emaranhamento tripartido e determinando a sua dependência com o ruído de fônons inserido pelo cristal, a caracterização do OPO estará completa. A caracterização deste OPO é um passo importante nos objetivos do LMCAL, que é realizar a troca de informação entre luz e átomos em uma rede quântica. / In this dissertation, we will describe the first measurements of quantum noise in an optical parametric oscillator (OPO) pumped at 780 nm, built at our laboratory. This OPO will be the source of nonclassical states of light to interact with rubidium atoms. We will review the classical OPO theory: the pumping of a nonlinear crystal inside a cavity producing two bright light beams (signal and idler) with different colors. We will calculate the power threshold, output power of the converted beams and compare the main differences between type-I and type-II OPO.We will analyze the quantum description of the OPO, and calculate the noise spectrum of the reflected pump quadratures and for the twin beams quadratures. We will observe that the OPO generates beams with quantum correlations, for example, the tripartite entanglement among the three fields involved in the nonlinear phenomena. The nonlinear crystal used in our experiment is a PPKTP type-I. By adjusting the temperature of the crystal, we can generate beams from close to degenerate regime to a difference between them of 350 nm. The squeezing of quantum noise measured in the amplitude quadratures subtraction for signal and idler is 44%(-2.5 dB). The next step is to implement the method of ellipse noise rotation by an optical cavity, to be able to measure phase quadratures of the three different fields. By verifying the tripartite entanglement and determining the phonon noise due to the crystal, our source characterization will be complete. The characterization of this OPO is an important step in LMCAL goals, which is to realize exchange of information between light and atoms in a quantum network.

Durante este trabalho construímos e caracterizamos um laser de titânio-safira para ser utilizado em experimentos de ótica quântica e ótica não linear, no Laboratório de Manipulação Coerente de Átomos e Luz (LMCAL). Constatamos que, operando em 780nm, o laser construído têm eciência de 51%, atingindo uma potência de saída de 832mW para uma potência de bombeio de 5W, e sua largura de linha é da ordem de 0,6MHz. Analisamos também o espectro de ruído do laser e concluímos que, para frequências de análise a partir de 10MHz, a luz emitida corresponde a um estado coerente, com ruído quântico muito inferior ao dos lasers de diodo que vêm sendo utilizados no laboratório. / We built and characterized a titanium-sapphire laser to be used in quantum optics and non linear optics experiments in the Laboratory for Coherent Manipulation of Atoms and Light - LMCAL (Laboratório de Manipulação Coerente de Átomos e Luz). We veried that the laser has 51% efficiency when operating at 780nm, reaching 832mW output power for a pump power of 5W, and its linewidth is approximately 0.6MHz. We also analyzed the laser noise spectrum and found that, for analysis frequencies above 10MHz, the laser output is in a coherent state, with much lower quantum noise than the diode lasers that have been used in our laboratory.

Orientador: Guillermo Gerardo Cabrera Oyarzun / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-24T18:53:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CorreaJunior_Clovis_M.pdf: 2475896 bytes, checksum: c134096367f5dc832f4c32ec8a9e224b (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Nesta dissertação de mestrado são descritas as características fundamentais dos condutores mesoscópicos, e as origens e propriedades das várias fontes de ruído em condutores. Primeiramente, descrevemos o ruído com distintos métodos e enfatizamos as propriedades de cada tipo de ruído. Em seguida, apresentamos a abordagem da matriz de espalhamento para condutores com coerência de fase, a qual permite-nos tratar as propriedades de transporte de forma unificada. Estudamos um modelo proposto para descrever as propriedades de transporte de nanofios e nanocontatos dos metais magnéticos de transição. É assumido que os orbitais de condução são do tipo s, o que permite a existência de dois canais de condução devido ao spin. Da mesma forma, consideramos os orbitais d como fontes de momentos de dipolos magnéticos locais. O modelo é aplicado ao caso de nanocontatos constituídos de dois átomos, os quais estão acoplados a dois eletrodos magnéticos. Usando um pequeno campo externo, é possível controlar os estados de polarização dos eletrodos: paralelamente e anti-paralelamente. Nesse nanocontato, são estudados as propriedades do coe½ciente de transmissão, da condutância, do ruído shot quântico, do fator de Fano e da magnetoresistência / Abstract: This dissertation describes the fundamental caracteristics of mesoscopic conductors, and the origins and properties of the sources of noise in conductors. Firstly, we describe the noise through different methods and emphasize the properties of each kind of noise. In the following, we present the scattering approach for coherent phase conductors, which allows us to get the transport properties from a unified picture. It is studied a particular model to describe the transport properties of magnetic transsition metal nanowires and nanocontacts. It is assumed that conduction orbitals are s-like, with the occurrence of only two conductions channel due to spin. In turn, d-like orbitals are sources of local magnetic moments. The model is applied to a simple nanocontact built of two atoms, which are coupled to two magnetic electrodes. Using small external fields, one can handle the polarization state of the electrods: in parallel or antiparallel alignment. From that nanocontact, we investigate the properties of the transmission coe°cient, the conductance, the quantum shot noise, the Fano factor and the magnetoresistance / Mestrado / Física da Matéria Condensada / Mestre em Física

Nesta dissertação, descreveremos as primeiras medidas de ruído quântico em um oscilador paramétrico ótico (OPO) bombeado em 780 nm, construído no nosso laboratório. Esse OPO servirá de fonte de estados não clássicos da luz para interação com átomos de rubídio. Faremos uma revisão da teoria clássica do OPO: o bombeamento de um cristal não linear inserido dentro de uma cavidade ótica, produzindo dois feixes intensos de luz (sinal e complementar) com cores distintas. Calcularemos as expressões para o limiar de oscilação, potências de saída dos feixes convertidos e compararemos as principais diferenças entre OPOs com cristais do tipo I e tipo II. Analisaremos a descrição quântica do OPO, calcularemos os espectros de ruído para as quadraturas do bombeio refletido e para as quadraturas dos feixes gêmeos. Veremos que o OPO gera feixes com correlações quânticas, como o emaranhamento tripartido, entres os três feixes envolvidos no processo não linear. O cristal não linear utilizado no nosso experimento é um PPKTP tipo I. Ajustando a temperatura do cristal, podemos gerar feixes próximos da degenerescência até uma diferença de comprimentos de onda de aproximadamente 350 nm. A compressão de ruído quântico observado na diferença das amplitudes dos feixes sinal e complementar é 44%(-2.5 dB). O próximo passo é a implementação da técnica da rotação da elipse de ruído por cavidades óticas, para medir os ruídos de fase dos três campos . Fazendo a verificação do emaranhamento tripartido e determinando a sua dependência com o ruído de fônons inserido pelo cristal, a caracterização do OPO estará completa. A caracterização deste OPO é um passo importante nos objetivos do LMCAL, que é realizar a troca de informação entre luz e átomos em uma rede quântica. / In this dissertation, we will describe the first measurements of quantum noise in an optical parametric oscillator (OPO) pumped at 780 nm, built at our laboratory. This OPO will be the source of nonclassical states of light to interact with rubidium atoms. We will review the classical OPO theory: the pumping of a nonlinear crystal inside a cavity producing two bright light beams (signal and idler) with different colors. We will calculate the power threshold, output power of the converted beams and compare the main differences between type-I and type-II OPO.We will analyze the quantum description of the OPO, and calculate the noise spectrum of the reflected pump quadratures and for the twin beams quadratures. We will observe that the OPO generates beams with quantum correlations, for example, the tripartite entanglement among the three fields involved in the nonlinear phenomena. The nonlinear crystal used in our experiment is a PPKTP type-I. By adjusting the temperature of the crystal, we can generate beams from close to degenerate regime to a difference between them of 350 nm. The squeezing of quantum noise measured in the amplitude quadratures subtraction for signal and idler is 44%(-2.5 dB). The next step is to implement the method of ellipse noise rotation by an optical cavity, to be able to measure phase quadratures of the three different fields. By verifying the tripartite entanglement and determining the phonon noise due to the crystal, our source characterization will be complete. The characterization of this OPO is an important step in LMCAL goals, which is to realize exchange of information between light and atoms in a quantum network.

Durante este trabalho construímos e caracterizamos um laser de titânio-safira para ser utilizado em experimentos de ótica quântica e ótica não linear, no Laboratório de Manipulação Coerente de Átomos e Luz (LMCAL). Constatamos que, operando em 780nm, o laser construído têm eciência de 51%, atingindo uma potência de saída de 832mW para uma potência de bombeio de 5W, e sua largura de linha é da ordem de 0,6MHz. Analisamos também o espectro de ruído do laser e concluímos que, para frequências de análise a partir de 10MHz, a luz emitida corresponde a um estado coerente, com ruído quântico muito inferior ao dos lasers de diodo que vêm sendo utilizados no laboratório. / We built and characterized a titanium-sapphire laser to be used in quantum optics and non linear optics experiments in the Laboratory for Coherent Manipulation of Atoms and Light - LMCAL (Laboratório de Manipulação Coerente de Átomos e Luz). We veried that the laser has 51% efficiency when operating at 780nm, reaching 832mW output power for a pump power of 5W, and its linewidth is approximately 0.6MHz. We also analyzed the laser noise spectrum and found that, for analysis frequencies above 10MHz, the laser output is in a coherent state, with much lower quantum noise than the diode lasers that have been used in our laboratory.

Yes / Bifractional transformations which lead to quantities that interpolate between other known quantities are considered. They do not form a group, and groupoids are used to describe their mathematical structure. Bifractional coherent states and bifractional Wigner functions are also defined. The properties of the bifractional coherent states are studied. The bifractional Wigner functions are used in generalizations of the Moyal star formalism. A generalized Berezin formalism in this context is also studied.

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um novo método para a simulação de redução da dose de radiação em imagens mamográficas clínicas. Assim, estudos sobre a influência da redução da dose de radiação no diagnóstico do câncer de mama podem ser realizados sem que o paciente se exponha a doses extras de radiação. Uma análise preliminar foi realizada para a caracterização do ruído produzido pelo equipamento mamográfico no processo de aquisição da imagem. Essa análise evidenciou a importância de um método local de simulação, uma vez que o ruído depende da posição ao longo do campo. O novo método proposto consiste em ajustar os níveis de cinza e adicionar uma máscara de ruído Poisson, dependente do sinal, nas imagens clínicas adquiridas com a dose de radiação padrão, simulando sua aquisição com doses de radiação reduzidas. A dependência entre ruído e sinal foi criada com o uso da transformada de Anscombe. O desempenho do método proposto foi avaliado utilizando-se imagens mamográficas de um phantom antropomórfico obtidas com diferentes doses de radiação. As imagens simuladas pelo método proposto foram comparadas com as imagens reais. A similaridade entre os espectros de ruído permitiu a comparação de métricas locais da imagem. O erro percentual entre os níveis de cinza das imagens reais e simuladas se manteve inferior a 1%. O ruído adicionado manteve um erro percentual inferior a 1%. Testes de t-Student mostraram que não existe diferença estatística significante (p < 0,05) entre as imagens reais e simuladas pelo método proposto. / This work aims to develop a new method for simulating reduction of the radiation dose in clinical digital mammography. Using such method, studies regarding the influence of dose reduction in cancer diagnosis can be performed without unnecessary exposure of patients to X-ray radiation. A preliminary study characterized the noise produced by the digital mammography equipment during the acquisition process. This analysis emphasized the importance of simulating noise locally, since noise is dependent on the spatial position of the pixel. Therefore, the proposed method consists of adjusting the gray levels and adding signal-dependent Poisson noise to images acquired at the standard radiation dose. Dependency between noise and signal was created using the Anscombe transformation. The performance of the proposed method was evaluated using mammographic images of an anthropomorphic phantom acquired at different radiation doses. Images simulated using the proposed method were compared to real images acquired using the clinical equipment. Similarity between noise power spectra and local metrics validated the similarity between images. The gray level of the simulated and real images were compared using local mean and reported averaged errors smaller than 1%. The added noise was also compared and the averaged error was smaller than 1%. Statistical Student\'s t-test tests showed no statistical difference (p < 0.05) between real images and the ones simulated using the proposed method.

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um novo método para a simulação de redução da dose de radiação em imagens mamográficas clínicas. Assim, estudos sobre a influência da redução da dose de radiação no diagnóstico do câncer de mama podem ser realizados sem que o paciente se exponha a doses extras de radiação. Uma análise preliminar foi realizada para a caracterização do ruído produzido pelo equipamento mamográfico no processo de aquisição da imagem. Essa análise evidenciou a importância de um método local de simulação, uma vez que o ruído depende da posição ao longo do campo. O novo método proposto consiste em ajustar os níveis de cinza e adicionar uma máscara de ruído Poisson, dependente do sinal, nas imagens clínicas adquiridas com a dose de radiação padrão, simulando sua aquisição com doses de radiação reduzidas. A dependência entre ruído e sinal foi criada com o uso da transformada de Anscombe. O desempenho do método proposto foi avaliado utilizando-se imagens mamográficas de um phantom antropomórfico obtidas com diferentes doses de radiação. As imagens simuladas pelo método proposto foram comparadas com as imagens reais. A similaridade entre os espectros de ruído permitiu a comparação de métricas locais da imagem. O erro percentual entre os níveis de cinza das imagens reais e simuladas se manteve inferior a 1%. O ruído adicionado manteve um erro percentual inferior a 1%. Testes de t-Student mostraram que não existe diferença estatística significante (p < 0,05) entre as imagens reais e simuladas pelo método proposto. / This work aims to develop a new method for simulating reduction of the radiation dose in clinical digital mammography. Using such method, studies regarding the influence of dose reduction in cancer diagnosis can be performed without unnecessary exposure of patients to X-ray radiation. A preliminary study characterized the noise produced by the digital mammography equipment during the acquisition process. This analysis emphasized the importance of simulating noise locally, since noise is dependent on the spatial position of the pixel. Therefore, the proposed method consists of adjusting the gray levels and adding signal-dependent Poisson noise to images acquired at the standard radiation dose. Dependency between noise and signal was created using the Anscombe transformation. The performance of the proposed method was evaluated using mammographic images of an anthropomorphic phantom acquired at different radiation doses. Images simulated using the proposed method were compared to real images acquired using the clinical equipment. Similarity between noise power spectra and local metrics validated the similarity between images. The gray level of the simulated and real images were compared using local mean and reported averaged errors smaller than 1%. The added noise was also compared and the averaged error was smaller than 1%. Statistical Student\'s t-test tests showed no statistical difference (p < 0.05) between real images and the ones simulated using the proposed method.

This dissertation discusses the Landau-Zener (LZ) theory and its application in noisy environments and in many-body systems. The first project considers the effect of fast quantum noise on LZ transitions. There are two important time intervals separated by the characteristic LZ time. For each interval we derive and solve the evolution equation, and match the solutions at the boundaries to get a complete solution. Outside the LZ time interval, we derive the master equation, which differs from the classical equation by a quantum commutation term. Inside the LZ time interval, the mixed longitudinal-transverse noise correlation renormalizes the LZ gap and the system evolves according to the renormalized LZ gap. In the extreme quantum regime at zero temperature our theory gives a beautiful result which coincides with that of other authors. Our initial attempts to solve two experimental puzzles - an isotope effect and the quantized hysteresis curve of a single molecular magnet - are also discussed. The second project considers an ultracold dilute Fermi gas in a magnetic field sweeping across the broad Feshbach resonance. The broad resonance condition allows us to use the single mode approximation and to neglect the energy dispersion of the fermions. We then propose the Global Spin Model Hamiltonian, whose ground state we solve exactly, which yields the static limit properties of the BEC-BCS crossover. We also study the dynamics of the Global Spin Model by converting it to a LZ problem. The resulting molecular production from the initial fermions is described by a LZ-like formula with a strongly renormalized LZ gap that is independent of the initial fermion density. We predict that molecular production during a field-sweep strongly depends on the initial value of magnetic field. We predict that in the inverse process of molecular dissociation, immediately after the sweeping stops there appear Cooper pairs with parallel electronic spins and opposite momenta.