Application of atomic systems for computation and fundamental studies on superradiance

BARBOSA, Daniel Felinto Pires, também é conhecido em citações bibliográficas por: FELINTO, Daniel FACEPE The ability to coherently manipulate quantum systems enables a wide range of applications in the field of quantum information. In this thesis we are going to address two applications of quantum interaction between light and an atomic medium. First, in the case of a single charged atom (ion), we propose a set of logical gates for quantum computation. Second, we use a macroscopic ensemble of neutral atoms as quantum memory for the storage of quantum entanglement to be used in fundamental studies of the process of superradiance. The first part of this thesis is a theoretical work with experimental perspectives. The traditional platform for the development of quantum computing with a chain of ions confined in a Paul trap is based on the model introduced in 1995 by Cirac and Zoller (CZ). In this model the electronic levels describe the qubits and the collective vibrational modes act as mediators between the qubits. In order to help mitigate the problems of scalability, we have proposed a new architecture that is a true reversal of the CZ scheme. Our approach consists in using the internal degrees of freedom of a single ion as a mediator (bus) and harnessing the motion of ions as the unit of quantum information, which leads us to a continuous variables picture of the problem. In addition we developed a toolbox of quantum operations complete enough to achieve computational universality. In the second part of the thesis, we develop a study not only theoretical but also experimental using quantum memories in an atomic ensemble. The idea here is to use a set of atoms to store quantum information over a certain period of time. This stored information is originally packaged in a collective atomic mode, which could subsequently be extracted on demand in a light field, presenting non-classical correlations with a previously detected heralding field. The atomic medium used is a cloud of cold Rubidium atoms obtained from a magnetooptical trap, when the trap is off. The generation of photon pairs, correlated through interaction with the atoms, is done by implementing a "write-read" scheme inspired by the Duan-Lukin-Cirac-Zoller protocol for long-distance quantum communication. A characteristic of the photons that mediate these interactions is that they are narrowband enough to allow a direct study of the temporal shape of their wave packet. Through the analysis and theoretical modeling of this wave packet, we investigate the dynamics of extraction of the quantum information stored in the quantum memory of the atomic ensemble. We report an experimental finding of non-classical characteristics of superradiance by implementing the process not only with a single excitation, but also with two-photon Fock states. Specifically, this work presents the experimental measurement and the theoretical modeling of wave packets in both single-photon and two-photon superradiance regimes. This new step opens the way for the study of interactions between collective quantum memories and light modes in a regime of higher-order components of the electromagnetic field. A capacidade de manipular coerentemente os sistemas quânticos permite uma ampla gama de aplicações no campo da informação quântica. Nesta tese vamos abordar duas aplicações da interação quântica entre luz e um meio atômico. Primeiro, no caso de um único átomo carregado (íon), propomos um conjunto de portas lógicas para a computação quântica. Em segundo lugar, usamos um ensemble macroscópico de átomos neutros como memória quântica para o armazenamento de emaranhamento quântico a fim de ser usado em estudos fundamentais do processo de superradiância. A primeira parte desta tese é um trabalho teórico com perspectivas experimentais. A plataforma tradicional para o desenvolvimento da computação quântica com uma cadeia de íons aprisionados em uma armadilha de Paul é baseada no modelo introduzido em 1995 por Cirac e Zoller (CZ). Neste modelo os níveis eletrônicos descrevem os qubits e os modos vibracionais coletivos atuam como mediadores entre os qubits. Para ajudar a mitigar os problemas de escalabilidade, temos proposto uma nova arquitetura que é uma verdadeira inversão do esquema CZ. Nossa abordagem consiste em usar os graus de liberdade internos de um único íon como um mediador (bus) e aproveitar o movimento dos íons como a unidade de informação quântica, o que nos leva a um quadro de variáveis contínuas do problema. Além disso, desenvolvemos uma caixa de ferramentas de operações quânticas completa o suficiente para alcançar a universalidade computacional. Na segunda parte da tese, desenvolvemos um estudo não só teórico, mas também experimental usando memórias quânticas em um ensemble atômico. A ideia aqui é usar um conjunto de átomos para armazenar informação quântica durante um certo período de tempo. Esta informação armazenada é originalmente anunciada por um modo atômico coletivo, o qual poderia ser posteriormente extraído ‘a pedido’ em um campo de luz, apresentando correlações não clássicas com um campo ‘anunciante’ previamente detectado. O meio atômico é uma nuvem de átomos frios de Rubídio obtida a partir de uma armadilha magneto-óptica, quando a armadilha está desligada. A geração de pares de fótons, correlacionados através da interação com os átomos, é feita através da implementação de um esquema de “escrita-leitura” inspirado no protocolo Duan-Lukin-Cirac-Zoller para comunicação quântica de longa distância. Uma característica dos fótons que mediam essas interações é que eles são banda estreita o suficiente para permitir um estudo direto da forma temporal de seu pacote de onda. Através da análise e modelagem teórica deste pacote de onda, investigamos a dinâmica de extração da informação quântica armazenada na memória quântica do ensemble atômico. Reportamos um achado experimental das características não-clássicas da superradiância, implementando o processo não apenas com uma única excitação, mas também com estados de Fock de dois fótons. Especificamente, este trabalho apresenta a medição experimental e a modelagem teórica de pacotes de onda em ambos os regimes de superradiância, de um único fóton e dois fótons. Este novo passo abre o caminho para o estudo das interações entre memórias quânticas coletivas e modos de luz em um regime de componentes de mais alta ordem do campo eletromagnético.