Entangled states of the light: interference as a symmetry problem

dc.contributor.advisor1Jorge Villas Bôas, Celso
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5700887540085418
dc.contributor.authorMicheletti Diniz, Ciro
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/3102671365275808
dc.contributor.refereeHassan Youssef Moussa, Miled
dc.contributor.refereeWillig Lima, Nathan
dc.contributor.refereeLuiz Zanin, Guilherme
dc.contributor.refereeMendonça Valente, Daniel
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/7828776012924524
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/9218293771652459
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/1176793437897235
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/4830921348508281
dc.date.accessioned2026-08-31T17:52:29Z
dc.date.issued2026-06-30
dc.description.abstractRecently, the interference pattern, first observed by Thomas Young in 1804, has been obtained and understood within the framework of quantum optics through light–matter interactions, in which both light and matter are quantized. To this end, multiple fields interact simultaneously with the same material system, such that the superposition of these interactions gives rise to nontrivial detection outcomes. From this perspective, interference is a collective phenomenon. Based on this premise, this thesis develops a unified formalism that shows how symmetry relations are connected to interference effects. As a motivating and technologically relevant case, we analyze reset dynamics in a generic quantum computing and show that collective effects and symmetry relations can dominate the evolution due to shared couplings. Employing tunable features of the device, time-dependent symmetry relations are engineered to dynamically alter the brightness of collective states, enabling the reset of any initial state. In quantum optics, interference effects can be understood as a symmetry problem between the detectable and undetectable components of the field. For coherent and single-photon multimode fields, we derive phase conditions that distinguish bright and dark states, revealing the predominance of the latter. In diffraction gratings, this accounts for the extent of dark regions, where local phases give rise to dark states (zero intensity), while also explaining the high intensity observed in bright fringes. The same reasoning reinterprets cavity pulses as temporal interference between stationary modes, rather than as energy flow, suggesting new insights into the relationship between field intensity and its energy. By extending the analysis to collective thermal states, it is verified that a significant fraction of the energy can remain in dark modes even after interaction with the other systems. Furthermore, a thought experiment was simulated in order to verify how the breaking of symmetry in the interactions can provide access to the energy stored in dark states. Finally, a more fundamental condition for the emergence of collective effects was discussed. Based on shared interactions, Changes in the dynamics of waves of distinct natures, namely mechanical and electromagnetic, were observed when interactions with a common system were considered, as well as in the dynamics of two non-overlapping electromagnetic waves. Nevertheless, the results obtained were consistent with those of the cases previously studied under more restrictive conditions.eng
dc.description.resumoRecenetemente, o padrão de interferência, observado pela primeira vez por Thomas Young em 1804, pôde ser obtido e compreendido dentro do contexto da óptica quântica por meio da interação luz–matéria, na qual luz e matéria são quantizadas. Para tanto, múltiplos campos interagem imultaneamente com o mesmo material, de modo que a superposição dessas interações gere resultados de detecção não triviais. Nessa perspectiva, a interferência é um fenômeno coletivo. Com base nisso, esta tese desenvolve um formalismo unificado que mostra como relações de simetria se relacionam com os padrões de interferência. Como caso motivador e tecnologicamente relevante, foi estudado o processo de apagamento em computação quântica, no qual efeitos coletivos e de simetria dominam a evolução devido a acoplamentos compartilhados. Ao explorar parâmetros ajustáveis, relações de simetria dependentes do tempo podem ser engenheiradas a fim de alterar dinamicamente o brilho dos estados coletivos, permitindo o \textit{reset} de qualquer estado inicial. Em óptica quântica, efeitos de interferência são um problema de simetria entre componentes detectáveis e não detectáveis do campo. Para campos multimodo coerentes e de \textit{single}-fóton, derivamos condições de fase que distinguem estados claros e escuros, evidenciando a predominância destes últimos. Em grades de difração, isso explica a extensão de regiões escuras, onde fases locais geram estados escuros (intensidade nula), ao mesmo tempo que justifica a alta intensidade observada para as franjas claras. A mesma lógica reinterpreta pulsos em cavidades como interferência temporal entre modos estacionários, e não como fluxo de energia, sugerindo novos entendimentos na relação entre a intensidade do campo e sua energia. Ao estender a análise para estados térmicos coletivos, é verificado que uma fração significativa da energia pode permanecer em modos escuros mesmo após a interação com os demais sistemas. Ainda, um experimento pensado foi simulado a fim de verificar como a quebra de simetria nas interações pode proporcionar o acesso à energia armazenada em estados escuros. Por fim, discutiu-se uma condição mais fundamental para o surgimento de efeitos de coletivos. A alteração nas dinâmicas de ondas de natureza distintas, mecânica e eletromagnética, foi observada quando considerou-se interações com um sistem em comum, bem como nas dinâmicas de duas ondas eletromagnéticas que não se sobrepõem. Ainda assim, os resultados obtidos mostraram conformidade com os casos estudados anteriormente quando para condições mais restritivas.por
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.description.sponsorshipId2022/10218- 2
dc.identifier.citationMICHELETTI DINIZ, Ciro. Entangled states of the light: interference as a symmetry problem. 2026. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal de São Carlos, Campus São Carlos, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/24610.*
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/24610
dc.language.isoeng
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.centerCentro de Ciências Exatas e de Tecnologia - CCET
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Física - PPGF
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectMecânica quânticapor
dc.subjectÓptica Quânticapor
dc.subjectInterferência; Relações de simetriapor
dc.subjectEstados coletivospor
dc.subjectEstados emaranhadospor
dc.subjectQuantum Mmchanicseng
dc.subjectQuantum Opticseng
dc.subjectInterference effectseng
dc.subjectSymmetry relationseng
dc.subjectCollective stateseng
dc.subjectEntangled stateseng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
dc.subject.ods9. Indústria, Inovação e Infraestrutura
dc.titleEntangled states of the light: interference as a symmetry problemeng
dc.title.alternativeEstados emaranhados da luz: interferência como um problema de simetriapor
dc.typeTese

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