Orientador: Jose Antonio Roversi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-03T17:45:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Freitas_DagobertodaSilva_D.pdf: 2268838 bytes, checksum: d10685b1f660f7d8ce86950bf96a0421 (MD5) Previous issue date: 2002 / Resumo: Nessa tese, estudamos a dinâmica de sistemas quânticos: átomos em cavidades e íons aprisionados. Para átomos em cavidades ( QED ) , focalizamos a nossa atenção na dinâmica do campo preparado em uma superposição de estados coerentes e em uma mistura estatística. Nesse sistema, usando o modelo Jaynes-Cummings dependente da intensidade (DNJCM) discutimos alguns aspectos da dinâmica átomo-campo com uma interação tipo Jaynes-Cummings (JCM) e mostramos que para o campo preparado em um estado de 'gato par', esse será encontrado 'próximo' de um estado de gato ímpar, para o primeiro tempo de 'revival' e nesse mesmo tempo o átomo inicialmente no estado excitado estará 'próximo' do estado fundamental; esse comportamento é uma conseqiiência da conservação da paridade do sistema total. Um outro aspecto da dinâmica do campo discutido aqui, foi a purificação estado do campo inicialmente preparado em uma mistura estatística para a metade do primeiro tempo de 'revival'. Como pode ser observado na dinâmica da função Q, não obtemos um purificação do campo porque ambos os estados coerentes ?a > e 1- a > não produzem estados puros idênticos para esse tempo e consequentemente não teremos uma purificação. No sistema de íons aprisionados, discutimos a geração de estados não clássicos e os efeitos de perda de coerência nessa geração. Para explicar o efeito de perda de coerência, propuzemos um modelo que leva em consideração o acoplamento entre modos cruzados do movimento do íon. Esse acoplamento pode ser induzido por flutuações no laser e no potencial da armadilha, ocasionando flutuações na freqiiência de Rabi, levando a uma perda de coerência no modo principal do íon sem relaxação de energia e de acordo com os resultados experimentais. Ainda com íons, apresentamos um novo método para tratar a dinâmica deste sem recorrermos ao limite de Lamb-Dicke. O método é ba.."eado em uma transformação unitária que leva a Hamiltoniana do sistema em uma Hamiltoniana tipo Jaynes-Cummings (JCM). Focalizamos a nossa atenção na dinâmica atômica e na dinâmica do número médio de excitações do íon. A dinâmica obtida é diferente da dinâmica de quando o sistema é tratado na forma tradicional, ou seja usando o limite de Lamb-Dicke (LDL). Nessa nova dinâmica o sistema se comporta similarmente ao modelo Jaynes-Cumings forçado (DJCM) e com uma escolha apropriada dos parametro do íon efeitos de 'super-revival' são observados. Além do comportamento dinâmico dada acima, a transfomação tem sido utilizada como proposta de implementação de portas quânticas rápidas com velocidade que pode chegar a duas ordem de grandeza maior do que as obtidas por outros métodos. Uma outra aplicação importante tem sido a utilização da transformação para a geração de 'gatos de Schrõdinger' / Abstract: In this thesis we studied the dynamics of two quantum systems: atoms in a cavity and trapped ions. For atoms in a cavity ( QED ) , we studied the dynamics of field prepared in a superposition of coherent states and a statistical mixture. In this system, using a Intensity-Dependence Jaynes-Cummings model (DNJCM) we discuss some aspects of the dynamics of atom-field in the Jaynes-Cummings model (JCM) interaction, and showed that for a field prepared in a even-coherent state ( even Schrõdinger cat) it becomes an odd-coherent state ( odd Schrõdinger cat) at the first revival time, and at the same time the atom initially prepared in the excited state becomes the ground state. This behavior is due not only for energy conservation reason, but also for parity conservation in the atomfield system. We have found that, in DNJCM, a field initially prepared in a statistical mixture evolves toward apure state. This is a consequence of the intrinsic periodicity of the model. We may ask why this behavior has not been noticed by considering the field evolution in the ordinary JCM. In the trapped ion system, we studied the generation of nonclassical state of motion of a single ion. To explain the decoherence we introduced a phenomenological model that consider mode cross-coupling. This coupling can be due to technical problems: intensity fluctuation of the laser beams and instabilities of the trap leading to decoherence of the principal mode. Still studying ions, we show a new approach to discuss the dynamics of the ion without the Lamb-Dicke Limit (LDL). In this approach we depart from the full ion laser Hamiltonian, and perform a unitary transformation that allows us to obtain a JCM like Hamiltonian. The dynamics obtained is different from the dynamics when the system is treated in the traditional form, in the LDL. In the new dynamics the system is similar to the Driven-Jaynes-Cummings model (DJCM), and we expect the phenomenon of super-revival to be present in the ion system. Besides the dynamics present here, the transformation has been used in a scheme for generation of a quantum gate and Schrodinger cats / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

In this thesis we have basically studied two aspects of BoseEinstein condensation (BEC) in trapped dilute gases: (i) superfluidity with the possible onset of quantum turbulence (QT), and (ii) nonuniformity, which suggests the definition of new variables in order to build a global thermodynamic description. Both analyses were performed in a 87Rb BEC magnetically trapped in a QuadrupoleIoffe configuration (QUIC) trap. Concerning the first item, vortices and QT were generated by applying an oscillatory excitation formed by a quadrupole magnetic field superimposed onto the QUIC trapping potential. Scanning both the excitation amplitude and its duration allowed us to observe different regimes, particularly one with regular, welldefined vortices and another, where the onset of QT is believed to have occurred. The transition between this two regimes were explained by considering the finitesize characteristic of trapped gases. Additionally, data analyses on three vortex configurations suggested the presence of both vortices and antivortices (opposite circulation sign), and the vortex nucleation mechanism was proposed to be related to a relative motion between the condensate and thermal components, namely a counterflow. As for the second item, the BEC transition in our experiment was characterized in terms of new global thermodynamic variables. A phase diagram was constructed and compared to the superfluid helium phase transition. Finally, we provide preliminary results on the calculation of a global heat capacity, and briefly discuss the advantages of this new approach over the local density approximation alternative, particularly on BEC clouds in the presence of vortices and QT. / Nesta tese, nós estudamos dois aspectos da condensação de BoseEinstein (CBE) em gases diluídos aprisionados: (i) superfluidez e a possível ocorrência de turbulência quântica (TQ); e (ii) nãouniformidade, o que sugere um tratamento termodinâmico diferente pela definição de novas variáveis globais. Ambos os estudos foram realizados em amostras condensadas de átomos de 87Rb aprisionados magneticamente numa armadilha do tipo QUIC. Em relação ao primeiro item, a geração de vórtices e TQ ocorreu pela aplicação de uma excitação oscilatória gerada pela adição de um campo quadrupolar ao potencial confinante do QUIC. Como dependência da amplitude e duração da excitação, diferentes regimes foram observados. Particularmente, num dos regimes, apenas vórtices bem definidos foram observados e em outro, imagens consistentes com a ocorrência de TQ foram obtidas. A transição entre estes dois regimes foi explicada em termos do tamanho finito característico de gases aprisionados. Além disto, através da análise de dados mostrando configurações com três vórtices, pudemos inferir a presença de vórtices e antivórtices (circulação oposta). Para explicar o mecanismo de nucleação de vórtices, analisamos, como possível causa, um movimento relativo entre as componentes térmicas e condensadas das amostras, conhecido como contrafluxo. Já em relação ao segundo item, a transição de fase da CBE foi descrita em termos de novas variáveis termodinâmicas globais. Um diagrama de fase foi construído ressaltando as semelhanças com a transição observada no hélio superfluido. Por fim, apresentamos resultados preliminares sobre o cálculo de uma capacidade térmica global e discutimos as vantagens desta nova abordagem em relação à alternativa usual baseada na aproximação de densidade local. Estas vantagens são particularmente relevantes no caso de nuvens condensadas que apresentam vórtices e TQ.

In this thesis we have basically studied two aspects of BoseEinstein condensation (BEC) in trapped dilute gases: (i) superfluidity with the possible onset of quantum turbulence (QT), and (ii) nonuniformity, which suggests the definition of new variables in order to build a global thermodynamic description. Both analyses were performed in a 87Rb BEC magnetically trapped in a QuadrupoleIoffe configuration (QUIC) trap. Concerning the first item, vortices and QT were generated by applying an oscillatory excitation formed by a quadrupole magnetic field superimposed onto the QUIC trapping potential. Scanning both the excitation amplitude and its duration allowed us to observe different regimes, particularly one with regular, welldefined vortices and another, where the onset of QT is believed to have occurred. The transition between this two regimes were explained by considering the finitesize characteristic of trapped gases. Additionally, data analyses on three vortex configurations suggested the presence of both vortices and antivortices (opposite circulation sign), and the vortex nucleation mechanism was proposed to be related to a relative motion between the condensate and thermal components, namely a counterflow. As for the second item, the BEC transition in our experiment was characterized in terms of new global thermodynamic variables. A phase diagram was constructed and compared to the superfluid helium phase transition. Finally, we provide preliminary results on the calculation of a global heat capacity, and briefly discuss the advantages of this new approach over the local density approximation alternative, particularly on BEC clouds in the presence of vortices and QT. / Nesta tese, nós estudamos dois aspectos da condensação de BoseEinstein (CBE) em gases diluídos aprisionados: (i) superfluidez e a possível ocorrência de turbulência quântica (TQ); e (ii) nãouniformidade, o que sugere um tratamento termodinâmico diferente pela definição de novas variáveis globais. Ambos os estudos foram realizados em amostras condensadas de átomos de 87Rb aprisionados magneticamente numa armadilha do tipo QUIC. Em relação ao primeiro item, a geração de vórtices e TQ ocorreu pela aplicação de uma excitação oscilatória gerada pela adição de um campo quadrupolar ao potencial confinante do QUIC. Como dependência da amplitude e duração da excitação, diferentes regimes foram observados. Particularmente, num dos regimes, apenas vórtices bem definidos foram observados e em outro, imagens consistentes com a ocorrência de TQ foram obtidas. A transição entre estes dois regimes foi explicada em termos do tamanho finito característico de gases aprisionados. Além disto, através da análise de dados mostrando configurações com três vórtices, pudemos inferir a presença de vórtices e antivórtices (circulação oposta). Para explicar o mecanismo de nucleação de vórtices, analisamos, como possível causa, um movimento relativo entre as componentes térmicas e condensadas das amostras, conhecido como contrafluxo. Já em relação ao segundo item, a transição de fase da CBE foi descrita em termos de novas variáveis termodinâmicas globais. Um diagrama de fase foi construído ressaltando as semelhanças com a transição observada no hélio superfluido. Por fim, apresentamos resultados preliminares sobre o cálculo de uma capacidade térmica global e discutimos as vantagens desta nova abordagem em relação à alternativa usual baseada na aproximação de densidade local. Estas vantagens são particularmente relevantes no caso de nuvens condensadas que apresentam vórtices e TQ.

Neste trabalho apresentamos a construção de uma armadilha de dipolo com laser de CO2 que envolveu a utilização de novas e modernas tecnologias nunca utilizadas pelo nosso grupo até então. Podemos destacar a construção de uma nova câmara de aprisionamento com grande acesso óptico, getters como fonte de átomos e um laser de CO2 de alta potência e sua óptica. Demonstramos o aprisionamento de átomos de 85Rb em uma armadilha magnética e magneto-óptica e analisamos sua dinâmica, obtendo resultados das taxas de perdas provocadas por colisões entre átomos aprisionados e átomos quentes provenientes do vapor de fundo e do getter. Este entendimento será importante na implementação da técnica totalmente óptica de aprisionamento simultâneo de átomos de Rb e moléculas de Rb2. / In this work we present the construction of an optical dipole trap using a CO2 laser, which involves the use of news and modern technologies never utilized by our group up to now. We have builded a new trap chamber with large optical access, used atomic dispensers as an atomic source and a high power CO2 laser and its optical components. We have demonstrated trapping and cooling of 85 Rb in a magneto-optical trap as well as and magnetic trap. By analyze its dynamic, we have obtained results on the collisional loss rates between trapped atoms imprisoned and hot atoms originating from the background gas. This understanding will be important in the implementation of the technical one entirely optical trap for Rb atoms as well as Rb2 molecules.

O presente trabalho procura investigar alguns dos processos colisionais de átomos de Rydberg ultrafrios. Utilizando uma armadilha magneto-óptica (MOT), foi possível aprisionar átomos de 85Rb, um elemento alcalino metálico, numa região da ordem de lmn a temperaturas da ordem de poucas centenas de ?K, regime chamado de \"ultrafrio\" na literatura. Os átomos de 85Rb são então excitados para estados de alto número quântico principal, também chamados de estados de Rydberg, através de um laser pulsado. Nesses estados, os átomos apresentam propriedades exageradas devido ao tamanho da órbita do elétron de valência, sendo uma delas os potenciais de longo-alcance. Em nossos experimentos, após a excitação, são detectados átomos em estados vizinhos ao originalmente excitado, evidenciando a existência de transições. Como esses estados são muito próximos em energia, a presença de potenciais de longo alcance pode fazer a energia de um par de átomos de Rydberg no seu estado inicial ficar ressonante com a energia do mesmo par numa combinação de outros estados, tornando então possível transições para esses estados. Nosso estudo visa quantificar de certa forma essas observações, assim como estimar a importância do movimento desses átomos nas transições observadas. / This dissertation seeks to address some of the characteristics of collisional processes in ultracold Rydberg atoms. With a Maqneto-Optical Trap (MOT), we trapped a sample of 85Rb, an alkaline metal element, in a region of about lmm at a temperature of a few hundreds of ?K, known in the literature as the \"ultracold\" regime. The 85Rb atoms are then excited to high principal quantum number states, also known as Rydberg states, with a pulsed laser. In these states, the atoms present exaggerated properties due to the large valence electron orbit, such as long-range potentials in our experiments, after excitation, we have detected atoms in neighboring states to the originally excited state, an evidence of atomic transitions. Since these states have similar energy, the presence of long-range potentials can make the energy of a pair of atoms in the initial state be resonant with the energy of the same pair in a combination of different states, making it possible to have transitions to these nearby states. Our work tries to quantify these observations, as well as to gauge the role of atomic movement in these transitions.

Neste trabalho apresentamos a construção de uma armadilha de dipolo com laser de CO2 que envolveu a utilização de novas e modernas tecnologias nunca utilizadas pelo nosso grupo até então. Podemos destacar a construção de uma nova câmara de aprisionamento com grande acesso óptico, getters como fonte de átomos e um laser de CO2 de alta potência e sua óptica. Demonstramos o aprisionamento de átomos de 85Rb em uma armadilha magnética e magneto-óptica e analisamos sua dinâmica, obtendo resultados das taxas de perdas provocadas por colisões entre átomos aprisionados e átomos quentes provenientes do vapor de fundo e do getter. Este entendimento será importante na implementação da técnica totalmente óptica de aprisionamento simultâneo de átomos de Rb e moléculas de Rb2. / In this work we present the construction of an optical dipole trap using a CO2 laser, which involves the use of news and modern technologies never utilized by our group up to now. We have builded a new trap chamber with large optical access, used atomic dispensers as an atomic source and a high power CO2 laser and its optical components. We have demonstrated trapping and cooling of 85 Rb in a magneto-optical trap as well as and magnetic trap. By analyze its dynamic, we have obtained results on the collisional loss rates between trapped atoms imprisoned and hot atoms originating from the background gas. This understanding will be important in the implementation of the technical one entirely optical trap for Rb atoms as well as Rb2 molecules.

O presente trabalho procura investigar alguns dos processos colisionais de átomos de Rydberg ultrafrios. Utilizando uma armadilha magneto-óptica (MOT), foi possível aprisionar átomos de 85Rb, um elemento alcalino metálico, numa região da ordem de lmn a temperaturas da ordem de poucas centenas de ?K, regime chamado de \"ultrafrio\" na literatura. Os átomos de 85Rb são então excitados para estados de alto número quântico principal, também chamados de estados de Rydberg, através de um laser pulsado. Nesses estados, os átomos apresentam propriedades exageradas devido ao tamanho da órbita do elétron de valência, sendo uma delas os potenciais de longo-alcance. Em nossos experimentos, após a excitação, são detectados átomos em estados vizinhos ao originalmente excitado, evidenciando a existência de transições. Como esses estados são muito próximos em energia, a presença de potenciais de longo alcance pode fazer a energia de um par de átomos de Rydberg no seu estado inicial ficar ressonante com a energia do mesmo par numa combinação de outros estados, tornando então possível transições para esses estados. Nosso estudo visa quantificar de certa forma essas observações, assim como estimar a importância do movimento desses átomos nas transições observadas. / This dissertation seeks to address some of the characteristics of collisional processes in ultracold Rydberg atoms. With a Maqneto-Optical Trap (MOT), we trapped a sample of 85Rb, an alkaline metal element, in a region of about lmm at a temperature of a few hundreds of ?K, known in the literature as the \"ultracold\" regime. The 85Rb atoms are then excited to high principal quantum number states, also known as Rydberg states, with a pulsed laser. In these states, the atoms present exaggerated properties due to the large valence electron orbit, such as long-range potentials in our experiments, after excitation, we have detected atoms in neighboring states to the originally excited state, an evidence of atomic transitions. Since these states have similar energy, the presence of long-range potentials can make the energy of a pair of atoms in the initial state be resonant with the energy of the same pair in a combination of different states, making it possible to have transitions to these nearby states. Our work tries to quantify these observations, as well as to gauge the role of atomic movement in these transitions.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseRMS.pdf: 6509479 bytes, checksum: 46f0b62dec23c8e8c6a7f264f8418bdc (MD5) Previous issue date: 2002-07-22 / Universidade Federal de Minas Gerais / In this work we present a proposal protocol for engineering arbitrary motional states of trapped ions.Our scheme is based on both techniques of quantum state sculpture and projection synthesis. Next, we investigate the decoherence process in ion traps due to the polarization of the residual background gas. Our results are compared with experimental data round in the literature. We also introduce a scheme for probing the tunneling mechanism os a single ion trapped in a double-well electromagnetic potential. The tunneling process is characterized through the probability for a fluorescence measurement of electronic ground state of trapped ion. Finally in the running wave domain, we present a protocol for the teleportation of an entangled of zero- and one- photon states of the running wave field. We consider the process of photoabsorption in the linear and nonlinear optical elements required to achieve 100% of probability of sucess in the ideal case. / Neste trabalho apresentamos um protocolo para a engenharia de estados vibracionais arbitrários de íons aprisionados que combina as técnicas de escultura de estados e síntese da projeção. Este protocolo é desenvolvido tratando-se situação realista em que flutuações na intensidade dos feixes laser estão presentes. Em seguida, uma investigação do processo de decoerência em armadilhas iônicas, devido a polarização do gás residual da armadilha é detalhadamente descrito. Novos resultados são comparados com os dados experimentais apresentados na literatura. Apresentamos também um esquema para a sondagem do processo de tunelamento de um único íon em um potencial do tipo poço duplo. Esta sondagem é realizada por meio da medida fluorescente do estado eletrônico fundamental do íon. Por fim, no contexto de ondas propagantes apresentamos um protocolo para o transporte de estados emaranhados de zero e um fóton do campo de radiação. Consideramos a ocorrência de fotoabsorção nos elementos ópticos lineares e não lineares requeridos para alcançar 100% de probabilidade de sucesso no caso ideal.

Orientador: Prof. Dr. Fernando Luis da Silva Semião / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2018.

Orientador: Antonio Vidiella Barranco / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica "Gleb Wataghin" / Made available in DSpace on 2018-08-06T16:53:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_FernandoLuisSemiaoda_D.pdf: 1615501 bytes, checksum: 370145b0056b0b8da7cf94fb9d01bc25 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: A presente tese é dedicada à utilização de conhecidos sistemas quânticos em aplicações de interesse em óptica e informação quântica. Motivados pelos recentes avanços experimentais em sistemas formados por íons aprisionados interagindo com lasers e na eletrodinâmica quântica de cavidades, nós focamos grande parte de nossas propostas nestes sistemas. Mais especificamente, nós estudamos a interação de íons e campos quantizados na chamada eletrodinâmica quântica de cavidades com íons aprisionados. Neste contexto, iniciamos nossos trabalhos com uma proposta de geração de superposições mesoscópicas no movimento do íon. Uma vez que tais superposições são muito sensíveis à decoerência, incluímos perdas na cavidade para tratar uma situação mais realista. Através da observação de quantum jumps, ou fóton-contagens fora da cavidade, mostramos um esquema de geração de estados com características quânticas muito similares aos encontrados no caso da cavidade ideal, sem perdas. Neste aspecto, encontramos um modo de usar a dissipação a nosso favor, fato de grande interesse experimental devido às imperfeições dos espelhos reais. Apresentamos também uma proposta de implementação de uma interação do tipo Kerr em íons como uma alternativa ao uso de cristais não-lineares que apresentam baixíssima eficiência para esse tipo de efeito. Essa proposta abre novas possibilidades para o uso de íons em medidas não demolidoras e computação quântica. Nossos estudos na área de eletrodinâmica quântica com íons aprisionados terminam com a análise dos efeitos do movimento do íon na dinâmica das transições multi-fotônicas. Esse é um estudo mais fundamental e está relacionado com o entendimento da interação da radiação com a matéria. Na última parte desta tese são apresentados resultados sobre o uso de sistemas de muitos corpos para a distribuição de informação quântica. O objetivo de se estudar estes sistemas mais complexos é a busca de implementação de protocolos quânticos em larga escala. Neste sentido, poderíamos pensar numa cadeia de osciladores harmônicos acoplados como ocorre em sistemas típicos da física da matéria condensada. Em particular, nós estudamos como aumentar a eficiência na transmissão de emaranhamento nestas cadeias. Propusemos um esquema que funciona como um tipo de quantum data bus, ou ônibus quântico para transportar e distribuir emaranhamento com alta eficiência / Abstract: This thesis is concerned with the use of firmly established quantum systems for applications in quantum optics and quantum information. Having been driven by recent experimental advances in laser-manipulated trapped ions and cavity quantum electrodynamics, we concentrated more on proposals to be implemented in those systems. Being more specific, we have studied the interaction between trapped ions and quantized fields in the so-called cavity quantum electrodynamics with trapped ions. In this context, we began with a proposal to generate mesoscopic superpositions in the motion of the ion. Since these superpositions are extremely sensitive to decoherence, we have included cavity losses in order to make the situation slightly more realistic. We showed that the observation of quantum jumps, or photon detection outside the cavity, would generate quantum states with properties close to that generated in the ideal lossless case. In spite of the normally destructive effect of dissipation, we found a way to use it in our favor which turns out to be of great experimental importance due to always present mirror imperfections. We also showed how to mimic cross-Kerr nonlinearities in the cavity-ion system as a feasible alternative to the use of nonlinear crystals whose intensity of that non-linearity is too weak. This proposal opens up new possibilities for the use of trapped ions in non-demolition measurements and quantum computing. We finish our work in cavity electrodynamics with trapped ions with the study of the effect of the ionic motion on the dynamics of multiphotonic transitions. This is a more fundamental issue that is related to the understanding of matter-field interaction. In the last part of this thesis, we present results on the use of many-body systems for quantum information distribution. It was our goal to study more complex systems for the implementation of quantum protocols in large scale. In this sense, one could think of a chain of coupled harmonic oscillators as commonly found in condensed matter physics. Particularly, we dealt with the efficiency of entanglement transmission through the chain, trying to improve it. We ended up with a scheme which acts as a quantum data bus able to transport and distribute entanglement around quite efficiently / Doutorado / Física / Doutor em Ciências