Interacción fotón-fotón y la generación de estados no clásicos de luz

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En cumplimiento de los requerimientos de la carrera de Doctorado en Física

Resumen: Usualmente el término interacción fotón-fotón está asociado a fenómenos de altas energı́as. Sin embargo, es menos conocido que los fotones pueden interactuar a frecuencias mucho más bajas. Posiblemente esto se deba a que esta interacción se encuentra implı́cita en los fenómenos ópticos no-lineales donde los átomos de un medio óptico actúan como partı́cula mediadora de la interacción fotón-fotón a frecuencias ópticas.

En este seminario abordaremos las generalidades de la interacción fotón-fotón inicialmente desde el correlato clásico del problema, tanto a un nivel macroscópico como a nivel microscópico. Luego revisaremos en mayor detalle los modelos elementales tanto semiclásico como completamente cuántico de la interacción de la radiación con la materia. Esto nos permitirá comprender intuitivamente que la interacción fotón-fotón no solamente implica la unión o división de fotones, sino que además puede generar diferentes tipos de luces puramente cuánticas (sin equivalente en la fı́sica clásica) que son la materia prima de lo que actualmente se conoce como las tecnologı́as cuánticas.

Por último, introduciremos una herramienta matemática que nos permitará distinguir el comportamiento de la luz clásica de la luz puramente cuántica. En particular, analizaremos la generación de luz de vacı́o squeezed y la luz de un único fotón.

Referencias:

[1] G. Aad et al. (ATLAS Collaboration). Observation of Light-by-Light Scattering in Ultraperipheral  Pb+Pb Collisions with the ATLAS Detector. Phys. Rev. Lett. 123, 052001 
[2] Chang, D.,  Vuletić, V. and Lukin, M. Quantum nonlinear optics - photon by photon. Nature photon 8, 685-694 (2014).
[3] Birnbaum, K., Boca, A., Miller, R. et al. Photon blockade in an optical cavity with one trapped atom. Nature 436, 87-90 (2005).
[4] Yu, H., McCuller, L., Tse, M. et al. Quantum correlations between light and the kilogram-mass mirrors of LIGO. Nature 583, 43–47 (2020).
[5] Gerry, C. and Knight, P. Quantum Optics. Cambridge University Press (2000). 
[6] Boyd, R. W. Nonlinear Optics. (Third Edition). Academic Press (2008).