Manipulation of squeezed light in a one-dimensional topological system

Abstract

Durante el siglo XX, se evidenciaron las limitaciones de la física clásica. Esta nos brinda una comprensión adecuada del mundo cotidiano, pero se queda corta al intentar describir fenómenos en escalas extremadamente grandes o diminutas. Es aquí donde entra en juego la física cuántica, que se encarga de describir la naturaleza a niveles atómicos y subatómicos. En este dominio emergen propiedades cuánticas únicas, las cuales posibilitan fenómenos y tecnologías sin paralelo en el ámbito clásico. En los últimos años, los creciente avances tecnológicos en el control y uso de propiedades cuánticas muestran la posibilidad futura de crear, propagar y usar de forma confiable y escalable los sistemas cuánticos. Un ejemplo de tecnología actual que utiliza propiedades cuánticas es el estado comprimido del campo electromagnético (squeezed state), que permite aumentar la precisión en una cuadratura del campo a costa de perder en la cuadratura ortogonal. Han sido principalmente utilizados en metrología [1], más famosamente en la detección de ondas gravitacionales [2], y en la computación cuántica [3]. Entre los sistemas para propagar luz, se encuentran las guías de onda, en ellas, la luz puede ser propagada y guiada dentro de un medio al cambiar localmente el índice de refracción. Crear varias guías de onda forman una red fotónica y la luz puede progaparse a través de ellas de forma análoga a un electrón en una red cristalina. De la mano con esto, los aislantes topológicos en la materia condensada, se caracterizan por un número topológico obtenido del bulto de la red. Este número está relacionado con la aparición de estados localizados robustos en el borde. Quizás el ejemplo más famoso es el efecto Hall cuántico [4], donde la precisión de la conductancia medida permitió la redefinición de constantes universales [5]. Esto no es único a la electrónica y, en los últimos años, ha habido un gran interés en el área de fotónica topológica debido a la capacidad de estos sistemas para controlar y proteger a la luz usando las propiedades topológicas [6, 7, 8]. A pesar de que luz cuántica ha sido utilizada en algunos casos [9], los efectos topológicos en las propiedades cuánticas de la luz aún no han sido completamente explicados y comprendidos. Esta tesis parte de la premisa de utilizar la robustez de la luz comprimida debido a los efectos conocidos de la topología [10]. Esto se realiza a través de una red fotónica topológica unidimensional, en la cuál, al modificar el sistema sin romper la topología, generamos interacciones entre la luz comprimida. Esto se explica y caracteriza utilizando los parámetros del sistema y más tarde, se prueba la robustez para comprender los beneficios que otorga la topología. La búsqueda de tecnologías cuánticas confiables y robustas para propagar y manipular la luz cuántica todavía continúa. Esperamos que esta tesis impulse el uso de sistemas topológicos para mejorar el control y la estabilidad de la luz comprimida a través de guías de onda.

During the 20th century, the limitations of classical physics became evident. While classical physics provides us with a proper understanding of the everyday world, it falls short when attempting to describe phenomena on extremely large or tiny scales. This is where quantum physics comes into play, which deals with describing nature at atomic and subatomic levels. In this domain, unique quantum properties emerge, enabling phenomena and technologies unparalleled in the classical realm. In recent years, the growing technological advancements in controlling and utilizing quantum properties show the future potential to create, propagate, and reliably scale quantum systems. An example of current technology utilizing quantum properties is the squeezed state of the electromagnetic field, which allows for increased precision in one quadrature of the field at the expense of losing precision in the orthogonal quadrature. These states have mainly been used in metrology [1], most famously in the detection of gravitational waves [2], and in quantum computing [3]. Among light propagation systems, waveguides are present where light can be guided and propagated within a medium by locally changing the refractive index. Multiple waveguides create a photonic network, and light can propagate through them similarly to an electron in a crystalline lattice. Alongside this, topological insulators in condensed matter are characterized by a topological number obtained from the lattice’s bulk. This number is related to the appearance of robust localized states at the edge. Perhaps the most famous example is the quantum Hall effect [4], where the precision of measured conductance led to the redefinition of universal constants [5]. This phenomenon is not unique to electronics, and in recent years, there has been great interest in the field of topological photonics due to these systems’ ability to control and protect light using topological properties [6, 7, 8]. Despite quantum light having been used in some cases [9], the topological effects on the quantum properties of light have not yet been fully explained and understood. This thesis is based on the premise of utilizing the robustness of squeezed light due to known topological effects [10]. This is achieved through a one-dimensional topological photonic network, in which, by modifying the system without breaking topology, we generate interactions among squeezed light. This is explained and characterized using the system’s parameters, and later, the robustness is tested to understand the benefits conferred by topology. The search for reliable and robust quantum technologies to propagate and manipulate quantum light continues. We hope that this thesis will drive the use of topological systems to enhance the control and stability of squeezed light through waveguides.