El Dr. Alfred U’Ren fue contratado recientemente por el ICN-UNAM para iniciar un nuevo esfuerzo de investigación experimental en óptica cuántica, y para fortalecer al grupo teórico ya existente en esta área. Se cuenta ya con el espacio físico para la instalación de un nuevo laboratorio, así como con algunos fondos para comprar equipo. El objetivo principal del presente proyecto es impulsar al grupo de óptica cuántica en el ICN-UNAM, en particular su aspecto experimental. Los fondos de PAPIIT, en conjunto con fondos provenientes de otras fuentes, e.g. CONACYT, serán de importancia fundamental para el equipamiento del laboratorio. El responsable del proyecto cuenta con experiencia sólida tanto teórica como experimental en la generación de parejas de fotones mediante procesos paramétricos no lineales espontáneos. A través de la presente propuesta se buscará la continuación de algunos de los proyectos teóricos y experimentales que hemos desarrollado hasta ahora. En particular, buscaremos implementar fuentes de parejas de fotones basadas en el mezclado de cuatro ondas espontáneo (SFWM por sus siglas en ingles) en fibras ópticas, el cual ha sido tema de investigación teórica por nuestra parte durante los últimos 2 años. El SFWM en fibras mono-modales presenta ventajas muy importantes frente a otros métodos para la generación de parejas de fotones. En particular, la geometría guiada elimina el enredamiento cuántico en momento transversal, lo cual facilita enormemente la generación de parejas de fotones factorizables, i.e. sin enredamiento de variable continua, de importancia crucial para implementaciones prácticas de computación cuántica por medios ópticos. Por otro lado, hemos mostrado que el SFWM también facilita la generación de parejas de fotones con un ancho de banda extremadamente amplio, las cuales son de importancia para diversas propuestas de metrología cuántica. Como parte de este proyecto, implementaremos experimentalmente las técnicas que hemos desarrollado a través de nuestro trabajo teórico.

A lo largo de los últimos dos años, hemos llevado a cabo un estudio teórico detallado de las propiedades espectrales de parejas de fotones generadas por SFWM. Este trabajo extiende al SFWM un cuerpo de trabajo previo considerable de nuestro grupo sobre enredamiento cuántico en grados de libertad continuos en el proceso de PDC. Se cuenta con experiencia experimental sólida, y con el respaldo de un grupo teórico de primer nivel en el ICN-UNAM [Dr. Octavio Castaños, Dr. Jorge Hirsch, Dr. Eduardo Nahmad, y Dr. Ramón López Peña]. Como parte de esta propuesta, buscamos montar un laboratorio nuevo dedicado a temas de información cuántica en sistemas fotónicos en el Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM (ICN-UNAM). Uno de nuestros primeros objetivos será implementar fuentes de parejas de fotones basadas en el SFWM, además de explorar la implementación de aplicaciones relacionadas. Nuestra finalidad, al explotar la muy considerable experiencia teórica y experimental de nuestro equipo de investigación, es conformar un grupo líder a nivel internacional en información cuántica de sistemas fotónicos. Se espera que el laboratorio que estamos montando en el ICN, se convierta en uno de los principales en nuestro país en materia de generación y manipulación de luz no-clásica. Se espera, además, que como resultado de este proyecto se publiquen artículos en revistas de primer nivel (como Physical Review Letters y Optics Letters), se gradúen al menos tres estudiantes de doctorado, y se presente nuestro trabajo en conferencias internacionales de reconocido prestigio. A continuación se presenta un resumen de las contribuciones esperadas para este proyecto. En la sección de metodología, se detalla el trabajo propuesto. 1) Proponemos demostrar la operación de fuentes de parejas de fotones factorizables, tomando como base el proceso de SFWM. Una vez con esta fuente de parejas de fotones factorizables, generaremos fotones individuales anunciados, cuánticamente puros, en la banda espectral de telecomunicaciones [ 1.55 micras ], para asegurar la compatibilidad con las redes de fibra óptica existentes. En la sección de metodología detallamos el trabajo propuesto. 2) Se presentan dos retos muy impotantes en la detección de fotones individuales en el infra-rojo. En primer lugar, la tecnología para detección de fotones individuales en el mediano infra-rojo no se encuentra bien desarrollada. Los fotodiodos de avalancha para estas longitudes de onda, basados en InGaAs, alcanzan apenas eficiencias cuánticas de ~15%. Esto último en contraste con el visible, donde los detectores de un solo fotón pueden alcanzar eficiencias cuánticas del ~90%. Una alternativa es llevar a cabo la traslación espectral del paquete de onda uni-fotónico a una longitud de onda en el visible y así aprovechar las eficiencias altas de detección en el visible. En segundo lugar, los detectores de un solo fotón usuales tales como los fotodiodos de avalancha no presentan resolución de número de fotones. Una posible solución utilizada por otros grupos es la multiplexación temporal, donde probabilísticamente un grupo de fotones en un intervalo de tiempo corto, se re-distribuyen en diferentes ventanas temporales de forma tal que cada uno puede ser detectado eficientemente por un fotodiodo de avalancha de silicio. Proponemos desarrollar un detector innovador que combine los principios de traslación espectral y multiplexación temporal para lograr así la detección eficiente de fotones en el infra-rojo con resolución de número de fotones. 3) Una vez contando con las fuentes y detectores apropiados de los incisos anteriores se podrán planear una serie de experimentos de procesamiento de información cuántica. En particular, proponemos la demostración de una compuerta lógica de cambio de signo, elemento importante a base del cual se pueden implementar algoritmos de computación cuántica arbitrarios.