Resumen de Coupling quantum emitters to nanophotonic structures
Esta tesis está dedicada al estudio de diferentes problemas en la cada vez más difusa frontera entre la nanofotónica y la óptica cuántica. La capacidad de modificar la interacción entre luz y materia a escala cuántica es esencial para muchos de los desafíos clave de la fisica actual, como por ejemplo la realización de un ordenador cuántico. Dicho control tan preciso podría en principio conseguirse a través de estructuras fotónicas diseñadas a escala nanométrica. Por esa razon, en esta tesis se afrontan una serie de problemas en nanofotónica cuántica utilizando diferentes sistemas de emisores cuánticos acoplados a nanoestructuras fotónicas.
Primero, estudiamos la generación disipativa de entrelazamiento entre dos bits cuánticos (qubits) acoplados a una guía de ondas. Utilizando un Hamiltoniano completo del sistema, mostramos el comportamiento no Markoviano que surge para ciertas configuraciones, y que resulta imposible de predecir por los formalismos habituales empleados en óptica cuántica en cavidades. Dado que este protocolo de generación de entrelazamiento es muy sensible a variaciones en los parámetros del sistema, proponemos a continuación un método alternativo, en el que el entrelazamiento resultante es mucho más robusto con respecto a variaciones de los parámetros del sistema gracias al carácter quiral del acoplo entre qubit y fotones.
La segunda parte de este trabajo se centra en aprovechar los grados de libertad fotónicos en sistemas de guia de onda. En este estudio demostramos cómo generar entrelazamiento entre dos qubits a través de paquetes de un fotón, y cómo un segundo fotón permite modular temporalmente el perfil de entrelazamiento creado. Asimismo, proponemos un método para detectar dicho entrelazamiento a través de paquetes de un fotón. Finalmente, introducimos un dispositivo de cuatro puertos en el que el acoplo quiral entre emisor y fotones permite diseñar dispositivos fotónicos no recíprocos basados en interferencia cuántica.
La tercera parte de este trabajo se centra en el estudio del régimen de acoplo fuerte colectivo, en el que un sistema sólo puede ser descrito en términos de estados híbridos de luz y materia llamados polaritones. Demostramos cómo, cuando un conjunto de emisores cuánticos interacciona con un conjunto discreto de modos electromagnéticos, estados puros de materia (estados oscuros) pueden adquirir la extension espacial de los modos fotónicos, a pesar de que por definicion no se acoplan a ellos. Después, ilustramos cómo los autoestados deslocalizados de dicho sistema fuertemente acoplado pueden ser usados para incrementar significativamente las propiedades de transporte de excitones a lo largo del conjunto de emisores, y cómo dicho incremento puede ser estructurado espacialmente a escalas menores que la longitud de onda, a traves de resonancias plasmónicas localizadas.
Finalmente, estudiamos una plataforma experimentalmente realizable donde conseguir una interacción luz-materia eficiente, en particular una guía de onda plasmónica acoplada a un centro vacante-nitrógeno en diamante. Presentamos un estudio teórico llevado a cabo en paralelo al experimento realizado por nuestros colaboradores. El acoplo eficiente a modos plasmónicos guiados es demostrado por ambos estudios, con un factor de calidad superior al obtenido por previos estudios en estructuras plasmónicas.
