Como encontrar estados quânticos ótimos para micromanipulação ótica e metrologia em problemas complexos de dispersão: tutorial

A interação da luz quântica com a matéria é de grande importância para uma ampla gama de disciplinas científicas, variando de optomecânica a medições de alta precisão. Uma questão central que discutimos aqui é como fazer o uso ótimo tanto dos graus de liberdade espaciais quanto dos graus de liberdade quânticos da luz para caracterizar e manipular parâmetros observáveis arbitrários em um sistema de dispersão linear no qual campos de luz devidamente projetados são injetados. Aqui, discutimos uma estrutura abrangente baseada em um operador quântico que pode ser montado exclusivamente a partir da matriz de dispersão de um sistema e sua dependência do parâmetro local correspondente, tornando este operador mensurável experimentalmente a partir do campo longe, usando apenas luz clássica. A partir disso, pode-se inferir o efeito da luz quântica no campo próximo, ou seja, nas proximidades do objeto alvo. Com base nessa estrutura, é simples formular protocolos ótimos sobre como projetar conjuntamente tanto a forma espacial quanto as características quânticas da luz para micromanipulação, bem como para estimativa de parâmetros em meios arbitrariamente complexos. Também as forças do vácuo quântico emergem naturalmente desse formalismo. O objetivo do nosso tutorial é alinhar diferentes perspectivas e, assim, construir uma ponte entre as diferentes comunidades de controle de ondas, óptica quântica, micromanipulação, metrologia quântica e física do vácuo.