Caracterização de um dispositivo de cristal líquido para implementação de operações programáveis sobre o estado de polarização da luz
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
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Sebastiao Jose Nascimento de Padua
Artur Araújo Matoso
Marco Antonio Sagioro Leal
Artur Araújo Matoso
Marco Antonio Sagioro Leal
Resumo
Os displays de cristal líquido (LCD) são dispositivos capazes de manipular propriedades de um feixe de luz incidente, como amplitude, fase e polarização em função da tensão aplicada às suas moléculas. Neste trabalho, faremos a caracterização experimental do efeito de um LCD sobre a polarização da luz, visando sua utilização como um modulador espacial de luz (SLM) programável em experimentos de ótica e informação quântica. Na primeira parte, vamos determinar a matriz de Mueller do dispositivo e, a partir dela, suas propriedades polarimétricas. Mostraremos que o LCD atua apenas de forma aproximada como uma placa retardadora ideal, uma vez que introduz despolarização à luz incidente. Na segunda parte, investigamos o comportamento do LCD através do formalismo de operações quânticas, tratando sua atuação como uma operação sobre estados de um qubit de polarização. Através da tomografia de processos, determinamos a matriz que caracteriza a operação do dispositivo e mostramos que ela é não unitária. Em seguida, derivamos uma expressão geral para a matriz de processo de um SLM, dado pela combinação do LCD com placas de onda. Esta expressão nos permitirá implementar operações programáveis sobre os estados de polarização da luz em função da configuração das placas de onda e da tensão no LCD. Como aplicação, vamos quantificar a fidelidade da operação real implementada pelo SLM com uma operação unitária ideal de interesse em protocolos de informação quântica.
Abstract
Liquid crystal displays (LCDs) are devices capable of manipulating properties of an incident light beam, such as amplitude, phase, and polarization, based on the voltage applied to their molecules. In this work, we will experimentally characterize the effect of an LCD on light polarization, aiming at its use as a programmable spatial light modulator (SLM) in optics and quantum information experiments. In the first part, we will determine the Mueller matrix of the device and, from it, its polarimetric properties. We will show that the LCD acts only approximately as an ideal retarder plate since it introduces depolarization to the incident light. In the second part, we investigate the behavior of the LCD through the formalism of quantum operations, treating its action as an operation on polarization qubit states. Through process tomography, we determine the matrix characterizing the device's operation and show that it is non-unitary. Next, we derive a general expression for the process matrix of an SLM, given by the combination of the LCD with wave plates. This expression will allow us to implement programmable operations on the polarization states of light based on the configuration of the wave plates and the voltage on the LCD. As an application, we will quantify the fidelity of the actual operation implemented by the SLM with an ideal unitary operation of interest in quantum information protocols.
Assunto
Informação quântica, Ótica, Modulador espacial de luz, Matriz de Mueller
Palavras-chave
LCD, Modulação de polarização, SLM, Matriz de Mueller, Matriz de processos quânticos
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