Esta tesis expone realizaciones experimentales sobre tres temas desarrolladas en el Grupo de Óptica Cuántica de la PUCP. Primero, tenemos el trabajo sobre tomografía de un estado puro bipartito de camino-polarización, donde se produjeron y caracterizaron dichos estados para luz clásica. Se propuso un método que requiere mediciones estándar de polarización, aun cuando el estado sea bipartito. Se obtuvieron resultados satisfactorios de tres estados con distintas fases y amplitudes. Luego, y también para luz clásica, se presenta la extensión para dos qubits del Teorema de polarización-coherencia (PCT) (Eberly et al., 2017), que involucra la dualidad onda-partícula. Este teorema, que relaciona visibilidad, distinguibilidad y polarización, se extendió luego para el caso donde la polarización actúa como marcador (De Zela, 2018), sin embargo, el qubit de camino no tenía participación en las cantidades a medir. Es así que se expone una realización experimental que permite también su contribución, evidenciando la generalización del teorema. Finalmente, con fotones individuales, se proponen dos extensiones a estados puros tripartitos. Por un lado, la del PCT y, por otro, la Relación de trialidad (Qian et al., 2018), que involucra visibilidad, distinguibilidad y concurrencia. Para ello, se aprovechó la restricción entre grado de polarización y concurrencia (Qian et al., 2016), donde esta puede referirse ahora a sectores del estado tripartito, por lo que se usó una concurrencia generalizada (Rungta et al, 2001). De esa manera, veremos que el entrelazamiento entre subsistemas participará en ambas relaciones que se buscan generalizar, además de ampliar la visión sobre el concepto de dualidad onda-partícula. / This thesis presents experimental realizations on three topics developed in the Quantum Optics Group of the PUCP. First, we have the work on tomography of a pure bipartite state of pathpolarization, where these states for classical light were produced and characterized. A method was proposed that requires standard polarization measurements, even if the state is bipartite. Satisfactory results were obtained from three states with different phases and amplitudes. Then, and also for classical light, the extension for two qubits of the Polarization-Coherence Theorem (PCT) (Eberly textitet al., 2017) is presented, which involves wave-particle duality. This theorem, which relates visibility, distinguishability and polarization, was then extended for the case where polarization acts as a marker (De Zela, 2018), however, the path qubit had no participation in the quantities to be measured. Thus, an experimental realization is presented that also allows his contribution, evidencing the generalization of the theorem. Finally, with individual photons, two extensions to pure tripartite states are proposed. On the one hand, the PCT and, on the other, the triality relationship (Qian textitet al., 2018), which involves visibility, distinguishability and concurrence. To do this, we took advantage of the restriction between degree of polarization and concurrence (Qian textitet al., 2016), where this can now refer to sectors of the tripartite state, so a generalized concurrence was used (Rungta textitet al, 2001). In this way, we will see that the entanglement between subsystems will participate in both relations that we seek to generalize, in addition to broadening the vision on the concept of wave-particle duality.

Dentro de los diversos temas que investiga el grupo de óptica cuántica de la PUCP, se encuentra el estudio teórico y experimental de fases geométricas. La fase geométrica es estudiada a través de los métodos interferométrico y polarimétrico que dependen de la disposición de los componentes ópticos (placas retardadoras, polarizadores, etc.) según el arreglo experimental. Con estos componentes ópticos se logran manipular los estados de polarización de la luz. Para ello es de suma importancia controlar de manera precisa la ubicación angular de estos componentes ópticos. Esta posición angular debe ser variada continuamente, dependiendo del arreglo experimental que se esté usando, y se deben de registrar los datos de la intensidad del haz del láser. Actualmente, estas posiciones angulares de las placas retardadoras, polarizadores, etc., son fijadas manualmente, lo cual genera dos problemas serios: si el arreglo consta de muchas placas retardadoras, entonces las mediciones toman mucho tiempo en ser realizadas; de otro lado, a los errores propios de los instrumentos se agregan fuentes de error experimental. Por estos motivos es que para el laboratorio de Óptica Cuántica resulta esencial tener un sistema automatizado el cual garantice que las tomas de mediciones sean más rápidas, la ubicación angular de los componentes ópticos sea precisa y que no se agreguen más fuentes de error. Una vez lograda esta automatización, realizada en LabVIEW, puede ser aplicada a diversos arreglos ópticos como por ejemplo en la calibración de placas retardadoras y de polarizadores. El objetivo principal de esta tesis es la realización de un programa en donde todo el sistema de medición de fases geométricas esté automatizado, desde el movimiento de los motores rotatorios, el registro de la posición angular en la que se posiciona y hasta la medición de la intensidad del láser.

This work contains a series of contributions that are related, in one form or another, with the placement of the quantum-classical boundary. Three results that have been widely taken as characteristic traits of quantum phenomena are here shown to appear in purely classical contexts as well. These are: Born’s rule, Bell violations and Bohr’s complementarity. This work discusses how Born’s rule may be derived from some basic assumptions that relate to measurements in general, thereby showing that said rule applies when dealing with both classical and quantum cases. Bell violations are ultimately based upon Born’s rule. Therefore, the applicability of the latter in a classical context leads to Bell violations in this very same context. We can therefore predict non-quantum Bell violations. Moreover, we report experimental results confirming these violations. Finally, we address Bohr’s complementarity in a quantitative way and derive an equation that links visibility and distinguishability – two complementary features of an interferometric array – with polarization, which can be seen as an “internal” degree of freedom. / Este trabajo contiene una serie de contribuciones que están relacionadas, de una forma u otra, con la ubicación de la frontera clásico-cuántica. Se muestra en él cómo aparecen también en contextos puramente clásicos tres resultados que han sido ampliamente aceptados como característicos de los fenómenos cuánticos. Estos resultados son: la regla de Born, las violaciones de Bell y la complementariedad de Bohr. El presente trabajo discute cómo se puede derivar la regla de Born a partir de suposiciones básicas que están relacionadas a las mediciones en general, mostrando así que dicha regla es aplicable a los casos clásico y cuántico. Las violaciones de Bell tienen por base la regla de Born. Por ello, la aplicabilidad de esta última en el contexto clásico lleva a violaciones de Bell en ese mismo contexto. Podemos así predecir violaciones de Bell no cuánticas. También se incluye resultados experimentales que confirman las citadas violaciones. Finalmente, se aborda la complementariedad de Bohr en forma cuantitativa y se deriva una ecuación que vincula visibilidad y distinguibilidad – dos aspectos complementarios de un arreglo interferométrico – con polarización, la cual puede ser vista como un grado de libertad “interno”.

Entanglement and polarization are mutually constrained by the relationship C2 + P2 = 1, which engages concurrence (C) of a pure, two-qubit state and the degree of polarization (P) of either of its two subsystems. How the above constraint generalizes for mixed states, is an open question. We address mixed, two-qubit states of the X type, i.e., those whose density matrix has nonzero elements only in the two main diagonals. We focus on mixed states that arise out of a pure, two-qubit state that is subjected to either the amplitude damping channel or the depolarizing channel. We derive alternative constraints for concurrence and polarization and test them experimentally with polarization-entangled photons. We argue that our theoretical results hold also for classical light, whenever two binary degrees of freedom can be entangled. / El entrelazamiento y la polarización son dos cantidades que se restringen mutuamente por la relación C2 + P2 = 1, donde participa la concurrencia (C) de un estado puro bipartito y el grado de polarización (P) de cualquiera de los dos subsistemas. Cómo esta relación de complementariedad se generaliza para el caso de estados mixtos es una pregunta abierta. Nosotros abordamos el caso de estados mixtos bipartitos de tipo X, aquellos con solo entradas no nulas en sus dos diagonales principales. Nos centramos en estados mixtos que resultan de estados puros bipartitos sujetos a la evolución de dos tipos de canales de decoherencia: Amplitude damping channel y depolarizing channel. Se obtienen relaciones de complementariedad alternas para la concurrencia y el grado de polarización, las cuales se comprueban experimentalmente con fotones entrelazados en polarización. Consideramos que nuestros resultados teóricos también son válidos para luz clásica en el caso dos grados de libertad binarios se puedan entrelazar.

Se estudia un modelo tipo Ising tomando en cuenta las interacciones de corto y largo alcance, así mismo como el posible efecto de la superficie del sistema y la forma del mismo sobre las propiedades magnéticas del material. Esto se realiza para investigar el comportamiento de los sistemas compuestos por nanopartículas ordenadas en una matriz. Ademas se analiza el papel que juega la relación entre numero de partículas en la superficie con las que se encuentran en el volumen de la matriz con respecto al comportamiento de histeresis del sistema. / An Ising model is studied, taking into account short and long range interactions, as well as the possible effect of the system surface and its shape on the magnetic properties of the material. This is done to investigate the behavior of systems composed of nanoparticles ordered in a matrix. In addition, the role of the relationship between the number of particles on the surface and those in the volume of the matrix with respect to the behavior of system hysteresis is analyzed.

Debido a la generalidad de su formulación, las fases geométricas han sido objeto de constantes investigaciones en áreas muy diversas y han llevado a muchos desarrollos, tanto en aplicaciones como en trabajo teórico. Esta tesis se incluye dentro de las investigaciones experimentales y se enfoca en las fases geométricas que aparecen al manipular el grado de libertad de polarización. Se divide en dos partes. La primera se centra en los aspectos teóricos esenciales que definen y relacionan los estados mixtos de polarización con la luz láser parcialmente polarizada, y en las propiedades de las fases geométricas que aparecen en los primeros. La segunda parte presenta dos arreglos experimentales, uno que genera estados polarización y uno que permite medir la fase geométrica adquirida por dichos estados después de alguna evolución unitaria. El primero otorga un control casi arbitrario del estado de polarización de la luz láser que deja el arreglo y, con una ligera modificación, puede utilizarse en fotones individuales con casi idéntica efectividad. El segundo utiliza al primero para generar estados mixtos de polarización y luego los somete a distintas evoluciones. Las fases geométricas adquiridas son entonces determinadas mediante su relación con las fases de Pancharatnam correspondientes, que son cantidades directamente observables. Si bien hubo casos en los que la fase no se pudo determinar debido a su sensibilidad a errores experimentales, en aquellas mediciones en las que se pudo obtener un valor experimental este se ajustó muy bien a la predicción teórica.

Esta tesis aborda las interacciones no colineales de los modos Laguerre-Gaussianos. Estas interacciones se utilizan para lograr la transferencia del momento angular orbital (OAM) en la mezcla de ondas no lineales. Esto se hace mediante conmutación controlada por polarización. Ajustando la geometría de los haces de entrada, es posible producir una salida OAM de tres canales con cargas topológicas arbitrarias que se generan simultáneamente y se resuelven espacialmente en la longitud de onda del segundo armónico. El uso de grados de libertad de trayectoria y polarización permite una conmutación óptica casi perfecta entre las diferentes operaciones OAM. Se propone un modelo teórico que muestra un muy buena concordancia con los experimentos.

Esta tesis estudia fases geométricas que aparecen cuando un átomo de dos niveles interacciona con un campo electromagnético monomodal cuantizado, un modelo descrito por el Hamiltoniano de Rabi (HR). Como se conoce, el HR no tiene una solución cerrada; no obstante, cuando el acoplamiento entre el átomo y campo es débil, la aproximación de onda rotante (RWA) puede ser aplicada. Esto resulta en el Hamiltoniano de Jaynes-Cummings (HJC), el cual es una útil solución analítica aproximada del primero. Cuando la RWA puede ser aplicada, fenómenos físicos predichos en el modelo de Rabi deben también aparecer en el modelo de Jaynes-Cummings; caso contario, la aproximación será físicamente inconsistente. Esto último generó una controversia después de una reciente afirmación sobre fases de Berry en el HR. De acuerdo a ésta, la RWA no es válida para ningún valor del acoplamiento entre el átomo y campo. Los resultados de esta investigación, cálculos numéricos de la fase de Berry en el HR, muestran que este no es el caso y que afirmaciones contrarias son inconsistentes con un argumento analítico que concierne al modelo de Rabi. Adicionalmente, se muestra que estos resultados convergen a los respectivos para el HJC, concluyendo as__ que la RWA es consistente al aplicarse a fases de Berry, como era de esperarse. Finalmente, se discute que la aparición de fases de Berry no depende de la condición adiabática; por lo tanto, el marco de estudio apropiado es el cinemático, el cual contiene a la fase de Berry como un caso particular de la fase geométrica. También se discute que el Hamiltoniano no desempeña un rol importante, salvo de proveedor de los autovectores usados en el cálculo de la fase geométrica. Esto manifiesta la característica esencial de la cual depende la fase geométrica, que es la geometría del espacio de rayos. Este espacio depende de los tipos de evolución que sean considerados. Este punto es ilustrado estudiando una diferente transformación unitaria en el modelo de Schwinger.

Este trabajo describe la dinámica del ‘entanglement’ de un sistema formado por dos átomos de dos niveles acoplados de forma independiente con dos reservorios, cada uno, constituido por un número finito de modos del campo electromagnético. Espe- cíficamente, se plantea una solución formal y otra aproximada (por series de Fourier) para la ecuación de Schrödinger que describe la dinámica de interacción de cada átomo con su respectivo reservorio. Por otro lado, la evolución del ‘entanglement’ es descrita para distintos subsiste- mas de dos ‘qubits’. En particular, se compara el comportamiento del ‘entanglement’ tomando en cuenta un estado colectivo para cada reservorio versus el comportamiento descrito a través de los modos individuales de cada reservorio. Se predice fenómenos de entanglement sudden death (ESD) y entanglement sudden birth (ESB) correspon- dientes al decaimiento inicial de los átomos, así como los debidos a los ‘revivals’ aso- ciados a la dinámica del sistema.

Se presenta mediciones polarimétricas de fases geométricas generadas en la evolución de la polarización de fotones a lo largo de trayectorias no‐geodésicas en la esfera de Poincaré.El núcleo del arreglo polarimétrico consiste de siete placas retardadoras. Este arreglo permite realizar cualquier transformación unitaria del grupo SU(2) en el espacio de polarización. Haciendo uso de la invariancia gauge de las fases geométricas bajo transformaciones locales U(1), es posible anular la contribución dinámica a la fase total, con lo cual se logra que esta última coincida con la fase geométrica. Como la fase total es accesible a las mediciones experimentales, la fase geométrica se torna así también accesible a las mismas. Se demuestra que nuestro dispositivo es robusto frente a diversas perturbaciones que usualmente afectan arreglos interferométricos, ya que utilizamos un solo haz de fotones. Nuestro arreglo polarimétrico de muestra ser una herramienta sumamente versátil que podría ser utilizada para someter a prueba la robustez de las fases geométricas frente a varias fuentes de decoherencia.