Este trabajo trata de un tipo particular de estados puros de n qubits, los estados grafo. En el Capitulo 1 se presentan tres definiciones de estados grafo (en base a su representacion geometrica, al modelo de interaccion y en terminos del formalismo estabilizador) que posteriormente relacionaremos entre si. A partir de estas definiciones introduciremos el formalismo estabilizador y obtendremos el estabilizador correspondiente a un estado grafo. Esta es una representacion compacta de los estados grafo que nos permitira describir comodamente su evolucion bajo la accion de las medidas de Pauli y los operadores del grupo de Clifford. Ademas, explicaremos como preparar estados grafo a partir de puertas controlled-Z, y mostraremos algunas referencias donde se exponen detalladamente la preparacion experimental de los estados grafo empleando varios metodos y recursos fisicos. Los estados grafo son fundamentales en muchas aplicaciones de la Informacion Cuantica. En los Capitulos 2 y 3 se explica su importancia para la correccion cuantica de errores y la computacion cuantica basada en medidas, respectivamente. Los resultados novedosos se refieren a la clasificacion de los estados grafo de hasta n = 8 qubits (Capitulo 5), a la identificacion de las clases de equivalencia a las que pertenecen los estados grafo de hasta n = 8 qubits (Capitulo 6), y a la utilidad de los estados grafo para demostraciones del teorema de Bell de tipo Greenberger-Horne Zeilinger (tambien llamadas demostraciones �allversus-nothing� o, abreviadamente, AVN). Este tipo de demostraciones se abordan atendiendo a su complejidad, de forma que el caso bipartito se trata en el Capitulo 8 y el caso m-partito en el Capitulo 9. El Capitulo 4 es una introduccion al problema de la clasificacion de estados entrelazados. En el se anticipan algunos conocimientos basicos para definir y estudiar el entrelazamiento en los estados cuanticos, se introduce brevemente la clasificacion de los estados puros entrelazados de hasta n = 4 qubits, y se explica cuales son las operaciones locales que permiten obtener las clases de equivalencia de los estados grafo. El Capitulo 7 es una introduccion de los Capitulos 8 y 9, en el hemos incluido: el teorema de Bell; dos tipos de desigualdades de Bell, EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) y CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt), atendiendo a si se desenvuelven o no en el escenario EPR original, asi como las demostraciones AVN; tambien hemos discutido cuales son las desigualdades de Bell que precisan de una menor eficiencia para su comprobacion experimental; y la importancia de emplear los estados hiperentrelazados para la comprobacion experimental de las demostraciones del teorema de Bell. En el ultimo Capitulo mostramos las conclusiones de los Capitulos 5, 6, 8 y 9 que son los que contienen los resultados originales de este trabajo.
Este trabajo trata de un tipo particular de estados puros de n qubits, los estados grafo. En el Capitulo 1 se presentan tres definiciones de estados grafo (en base a su representacion geometrica, al modelo de interaccion y en terminos del formalismo estabilizador) que posteriormente relacionaremos entre si. A partir de estas definiciones introduciremos el formalismo estabilizador y obtendremos el estabilizador correspondiente a un estado grafo. Esta es una representacion compacta de los estados grafo que nos permitira describir comodamente su evolucion bajo la accion de las medidas de Pauli y los operadores del grupo de Clifford. Ademas, explicaremos como preparar estados grafo a partir de puertas controlled-Z, y mostraremos algunas referencias donde se exponen detalladamente la preparacion experimental de los estados grafo empleando varios metodos y recursos fisicos. Los estados grafo son fundamentales en muchas aplicaciones de la Informacion Cuantica. En los Capitulos 2 y 3 se explica su importancia para la correccion cuantica de errores y la computacion cuantica basada en medidas, respectivamente. Los resultados novedosos se refieren a la clasificacion de los estados grafo de hasta n = 8 qubits (Capitulo 5), a la identificacion de las clases de equivalencia a las que pertenecen los estados grafo de hasta n = 8 qubits (Capitulo 6), y a la utilidad de los estados grafo para demostraciones del teorema de Bell de tipo Greenberger-Horne Zeilinger (tambien llamadas demostraciones �allversus-nothing� o, abreviadamente, AVN). Este tipo de demostraciones se abordan atendiendo a su complejidad, de forma que el caso bipartito se trata en el Capitulo 8 y el caso m-partito en el Capitulo 9. El Capitulo 4 es una introduccion al problema de la clasificacion de estados entrelazados. En el se anticipan algunos conocimientos basicos para definir y estudiar el entrelazamiento en los estados cuanticos, se introduce brevemente la clasificacion de los estados puros entrelazados de hasta n = 4 qubits, y se explica cuales son las operaciones locales que permiten obtener las clases de equivalencia de los estados grafo. El Capitulo 7 es una introduccion de los Capitulos 8 y 9, en el hemos incluido: el teorema de Bell; dos tipos de desigualdades de Bell, EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) y CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt), atendiendo a si se desenvuelven o no en el escenario EPR original, asi como las demostraciones AVN; tambien hemos discutido cuales son las desigualdades de Bell que precisan de una menor eficiencia para su comprobacion experimental; y la importancia de emplear los estados hiperentrelazados para la comprobacion experimental de las demostraciones del teorema de Bell. En el ultimo Capitulo mostramos las conclusiones de los Capitulos 5, 6, 8 y 9 que son los que contienen los resultados originales de este trabajo.
La motivacion de esta tesis es estudiar el entrelazamiento cuantico en general y bajo que circunstancias es maximo en particular. En primer lugar, se analizan desigualdades de Bell desde un punto de vista operacional, se presentan nuevas desigualdades para particulas de dimension mayor que dos y se estudian los estados que las violan maximamente. Dichos estados son del tipo GHZ para las desigualdades que involucran qubits. En el caso de experimentos con qutrits o particulas dimension local mayor, los estados que violan maximamente estas desigualdades son deformaciones de estados GHZ generalizados. Este resultado demuestra que aunque maximo entrelazamiento y la no-localidad son conceptos muy proximos, no son equivalentes. En segundo lugar, se estudia el entrelazamiento multipartito en cadenas de espines. En particular, se usa como figura de merito el hiperdeterminante y los invariantes polinomicos que lo forman, S y T. Estas figuras cuantifican un tipo concreto de entrelazamiento cuatripartito, tal y como se demuestra de un analisis de estados cuanticos bien conocidos como el GHZ o el W. Cuando aplicamos esta figura a una cadena de espines con interaccion tipo Ising, observamos un pico pronunciado cerca de la transicion de fase cuantica. Resultados similares se observan para los modelos de XXZ y de Haldane-Shastry para el caso de los invariantes S y T. Con todo, concluimos que estas figuras de merito son sensibles a las transiciones de fase cuanticas. La segunda parte de la tesis se focaliza en el campo de la computacion cuantica. Dicho campo ha experimentado un crecimiento relevante en los ultimos anos, debido en parte a la mejora tecnologica sobre el control de experimentos cuanticos. Con motivo de este crecimiento, diversas empresas han empezado a desarrollar prototipos de ordenadores cuanticos. Por esta razon, una de las lineas de investigacion en computacion cuantica consiste en proponer metodos para poner a prueba estas maquinas. Uno de los metodos presentados en esta tesis es la simulacion exacta de una cadena de espines con interaccion de tipo XY. Se explicita como debe de ser el circuito cuantico que lleva a cabo dicha simulacion y se propone la simulacion tanto de estados termicos como de la evolucion en el tiempo. Debido a que el modelo XY es resoluble analiticamente, se pueden comparar los resultados obtenidos de la simulacion con el ordenador cuantico con la solucion teorica. Al correr un circuito para cuatro qubits en dos ordenadores de la empresa IBM y uno de la empresa Rigetti computing, obtenemos resultados peores a los esperados. Con ello, concluimos que hay fuentes de error que no se estan teniendo en cuenta en general y que cobran relevancia incluso en circuitos tan pequenos. Ademas de este circuito, proponemos la simulacion de estados altamente entrelazados. La implementacion de estos circuitos constituye un test tan duro como necesario para un ordenador cuantico, debido a que la ventaja de los algoritmos cuanticos radica en la generacion de entrelazamiento. Para finalizar, estudiamos la generacion de entrelazamiento al nivel mas fundamental: la fisica de particulas. Obtenemos que la interaccion de QED viene dictada por el maximo entrelazamiento en aquellos procesos a “tree-level”. Aplicamos la misma filosofia en procesos que involucren corrientes debiles neutras (tambien a “tree-level”) y con ello obtenemos que el angulo de Weinberg debe ser de pi/6 si imponemos que las particulas finales deben estar maximamente entrelazadas, valor muy cercano al experimental.
Esta tesis doctoral trata de diversos aspectos de la teoria cuantica (TC), que abarcan desde el campo de los fundamentos de la disciplina (en particular, la busqueda de un conjunto de principios que seleccionen y distingan a la TC en el panorama de las teorias probabilisticas generales) hasta el reino de las aplicaciones en informacion y computacion cuanticas.
Todos los problemas que hemos abordado en nuestra investigacion tienen un rasgo distintivo comun: la teoria de grafos parece ser especialmente adecuada para describirlos y tratarlos. Y no solo eso: el lenguaje y las herramientas de la teoria de grafos proporcionan una poderosa y nueva percepcion que permite arrojar luz sobre tales problemas, y representan ademas un importante impulso para futuros desarrollos.
Precisamente, uno de los problemas que tuvimos que plantearnos en esta tesis, desde el primer momento, fue decidir su titulo. El alcance de la tesis era demasiado amplio como para poderlo comprimir en un titulo que fuese significativo, preciso y relativamente corto, y esto explica nuestra eleccion final: Quantum correlations and graphs, es decir,Correlaciones cuanticas y grafos, una declaracion intencionadamente de amplio espectro y algo vaga con la que intentamos capturar los principales aspectos de nuestra investigacion, quiza sin exito.
En lo que concierne a la alusion a los grafos en el titulo, la principal razon para nuestra concision es la siguiente: la tesis esta dividida en dos partes en las que los grafos constituyen la herramienta matematica ubicua y versatil sobre la cual hemos basado toda nuestra investigacion. Sin embargo, hemos de hacer notar que los grafos significan cosas muy distintas y juegan papeles bien diferentes en cada parte de la tesis. En la Parte I, que esta dedicada a los grafos de exclusividad de desigualdades no contextuales (NC), los grafos dan cuenta de experimentos en los cuales algunas medidas se llevan a cabo sobre ciertos estados: los vertices de uno de tales grafos representan eventos, en tanto que las aristas describen relaciones de exclusividad mutua entre eventos, y sobre la base de dichos grafos nosotros construimos desigualdades NC y calculamos sus valores limite a partir de algunos numeros combinatorios propios de los grafos. En la Parte II, que esta dedicada especificamente a los denominados estados grafo, los grafos por el contrario representan estados cuanticos entrelazados de muchos qubits. El grafo no solo proporciona una ayuda para escribir el generador del estado grafo, sino que tambien sirve por asi decir como una plantilla o guia para su preparacion: los vertices representan qubits, y las aristas describen subsiguientes operaciones de entrelazamiento cada una de la cuales involucra a dos qubits. Todo esto prueba cuan fructifera y versatil llega a ser la teoria de grafos cuando se aplica a algunos problemas fundamentales en TC, lo que constituye una de la principales ideas que alientan la tesis.
Entre estas dos partes de la tesis, en apariencia desligadas, hay no obstante una profunda conexion, que se explica con detalle al final de la tesis. En pocas palabras: hay una construccion que partiendo de cualquier grafo conexo de tres o mas vertices que describe a un estado grafo lleva a un grafo de mayor orden y tamano, siendo ´este ultimo un grafo de exclusividad cuyos vertices representan todos los posibles eventos consistentes con el grupo estabilizador del estado grafo original, y cuyas aristas conectan eventos mutuamente excluyentes. Tal procedimiento transcribe en terminos de teoria de grafos la conexion existente entre un estado grafo y una desigualdad de Bell violada maximamente por la TC.
Otro comentario importante tiene que ver con correlaciones cuanticas, el otro elemento que aparece con concision en el titulo: proporcionamos una definicion general de correlaciones cuanticas en la Sec. 1.2.4, a la que referimos al lector para mas detalle. Nosotros seleccionamos dos tipos de correlaciones cuanticas: correlaciones cuanticas proyectivas, y correlaciones cuanticas tipo Bell. Debemos enfatizar el hecho de que en la primera parte de esta tesis, a menos que se diga expresamente lo contrario, por correlaciones cuanticas se entendera que se trata de correlaciones cuanticas proyectivas, es decir, correlaciones entre los resultados demedidas conjuntas de observables cuanticos proyectivos. Las razones para esta eleccion se aportan en la p. 46. Por otro lado, nuestro principal interes en la segunda parte de la tesis es la clasificacion y preparacion optima de estados grafo. En este caso, las correlaciones cuanticas (en particular, correlaciones cuanticas tipo Bell) aparecen implicitamente al discutir la conexion existente entre los grafos de exclusividad, los estados grafo y una clase de desigualdades de Bell violada maximamente por los estados grafo.
Con todas estas consideraciones en mente, pasamos a continuacion a hacer una descripcion resumida de nuestro trabajo de investigacion. La tesis que presentamos, como ha quedado dicho, esta estructurada en dos partes:
1. La Parte I se titulaGrafos de exclusividad de desigualdades no contextuales, y esta organizada en cuatro capitulos:
• Capitulo 1:Aproximacion a las correlaciones cuanticas mediante teoria de grafos. Este es un capitulo introductorio, cuyo principal proposito es proporcionar el minimo trasfondo teorico necesario para discutir los problemas y resultados de la primeraparte de la tesis, ademas de presentar nuestros primeros resultados mas basicos. Comenzamos en la Sec. 1.1 con una descripcion concisa y autocontenida del marcogeneral de las teorias operacionales, siguiendo las Refs. [1, 2]. Esta introduccion concluye con la definicion de exclusividad mutua entre eventos, en terminos operacionales. Ello nos permite conectar la observacion de Specker acerca de la mensurabilidad dos a dos y la mensurabilidad conjunta en TC con el principio de exclusividad(E), es decir, con el hecho de que la suma de las probabilidades de un conjunto de eventos mutuamente excluyentes dos a dos no puede exceder de 1. En la Sec. 1.2 pasamos revista a diferentes tipos de correlaciones entre resultados de medidas realizadas en un sistema, segun las predicciones de ciertas teorias fisicas. Seguimos las Refs. [3, 4, 5] en la discusion de las correlaciones locales, cuanticas, no-signalingand generales. Nos ocupamos de dos tipos de correlaciones cuanticas: proyectivas ytipo Bell, y seguidamente centramos nuestra atencion en las correlaciones cuanticasproyectivas, proporcionando razones para dicha eleccion en la primera parte de la tesis. En la Sec. 1.3 definimos correlaciones no contextuales, e introducimos el concepto de desigualdad NC. La Sec. 1.4 se dedica a presentar la aproximacion a las correlaciones cuanticas mediante teoria de grafos de Cabello-Severini-Winter (CSW), recogida en las Refs. [6, 7], atendiendo especificamente a dos resultados principales y varias propuestas de posible desarrollo ulterior de dichos autores, en las cuales se basa nuestra investigacion. Presentamos nuestros primeros resultados basicos en la Sec. 1.5, relativos a la clasificacion de los llamados grafos cuanticos contextuales (QCG), y concluimos resumiendo las conexiones entre esta clasificacion y los problemas abordados en capitulos subsiguientes.
• Capitulo 2: Grafos de exclusividad basicos en correlaciones cuanticas.
En este capitulo nos ocupamos de un problema fundamental: entender por que la TC viola unicamente ciertas desigualdades NC, e identificar los principios fisicos que impiden violaciones mayores que las producidas por la TC.
Utilizamos, como herramienta principal a lo largo del capitulo, el grafo de exclusividad de una desigualdad NC que ya se ha introducido previamente en la Sec. 1.4.2. En la Sec. 2.3, presentamos una condicion necesaria para la existencia de correlaciones cuanticas contextuales: demostramos que la TC viola unicamente aquellas desigualdades NC cuyos grafos de exclusividad contienen, como subgrafos inducidos, ciclos impares de cinco o mas vertices y/o sus complementos. En la Sec. 2.4, mostramos que se puede obtener una cota inferior de la dimension (i. e., del numero de estados perfectamente distinguibles) del sistema cuantico utilizado para violar la desigualdad NC mediante la identificacion de subgrafos inducidos en el grafo de exclusividad de la desigualdad NC. El resultado de la Sec. 2.3 sugiere que las desigualdades NC cuyos grafos de exclusividad son o bien un ciclo impar o bien su complemento son especialmente importantes para entender la manera en que la TC viola desigualdades NC. En la Sec. 2.5 mostramos que los ciclos impares son los grafos de exclusividad de una familia bien conocida de desigualdades NC, y que hay tambien una familia de desigualdades NC cuyos grafos de exclusividad son los complementos de los ciclos impares. Ademas, caracterizamos los valores maximos no contextual y cuantico de estas desigualdades NC y proporcionamos los estados cuanticos y las medidas que conducen a sus violaciones cuanticas maximas. Finalmente, en la Sec. 2.6 presentamos algunos resultados que ofrecen evidencias que apoyan la conjetura de que el principio E selecciona exactamente la maxima violacion cuantica de la desigualdades NC discutidas en la Sec. 2.5. Finalizamos el capitulo con material adicional en la Sec. 2.7, en la que presentamos una tabla que cuenta el numero de subgrafos de exclusividad basicos inducidos en los grafos de exclusividad de algunas desigualdades NC y demostraciones de Kochen-Specker (KS) conocidas.
• Capitulo 3:Correlaciones cuanticas completamente contextuales.
En este trabajo, se analiza una teoría que es en cierto modo una extensión natural del campo de las telecomunicaciones clásicas a la mecánica cuántica. Dicha teoría se llama tomografía cuántica y es de hecho una imagen de la mecánica cuántica equivalente a las más habituales que son la imagen de Schrödinger o la de Heisenberg. Esta nueva imagen, difiere de las precedentes en que está muy ligada a la capacidad tecnológica a la hora de medir observables (momento, energía, etc.) en el campo de la óptica cuántica, ya que su objetivo primordial es el de conseguir reconstruir el estado de un sistema cuántico a partir de mediciones en el laboratorio, y dado al avance tecnológico del instrumental de laboratorio disponible como láseres y fotodetectores, cada vez está suscitando mayor interés. En el primer capítulo, veremos cómo nace esta idea de reconstruir estados cuánticos discutiendo brevemente la técnica clásica conocida como Tomografía Axial Computerizada (TAC). Esta técnica está basada en los trabajos de Johann Karl August Radon aplicando la transformada que lleva su nombre. Introduciremos la transformada de Radon de una función de probabilidad definida en el espacio de fases para ver cómo se aplica en el caso del TAC. Para aplicar esta idea para la reconstrucción de estados cuánticos, veremos, en primer lugar, que existe una extensión natural de las técnicas de demodulación de señales moduladas en amplitud (AM) en el campo de la óptica cuántica mostrando que el papel que cumple un mezclador puede ser reemplazado por una combinación de divisores de haz y fotodetectores y mostraremos explícitamente cómo reconstruir el operador densidad que describe un estado cuántico a través de un proceso reminiscente de la transformada de Radon clásica. El segundo capítulo será el corazón de este trabajo. En él, introduciremos de manera formal la descripción tomográfica de la mecánica cuántica. Presentaremos una teoría general, para ello, trataremos a los observables como elementos de un álgebra C_ y los estados serán funcionales lineales positivos que actúen en dicha algebra. Veremos que esta descripción de la mecánica cuántica puede dividirse en dos partes, una primera con el objetivo de obtener una fórmula para reconstruir el estado de un sistema cuántico a partir de una función definida sobre un conjunto llamado conjunto tomográfico, que será un conjunto de observables que tendrá que cumplir una serie de condiciones que expondremos debidamente. A esta primera parte de la teoría, la bautizaremos como Teoría de muestreo generalizada en sistemas cuánticos. La segunda parte estará relacionada con la parte puramente experimental. Lo que hace necesario tener que añadir esta segunda parte es el hecho de que la función definida anteriormente sobre el conjunto tomográfico, que llamaremos función de muestreo, en general, no puede ser medida por medio de los dispositivos con los que contamos en un laboratorio de óptica cuántica, sin embargo, a partir de las mediciones hechas con un fotodetector, podemos obtener distribuciones de probabilidad de cantidades relacionadas con los observables. Entonces, tomando esto último como motivación, esta segunda parte de la teoría consistirá en relacionar esa función de muestreo con una distribución de probabilidad que llamaremos tomograma, que será el resultado directo de un proceso de medida en el laboratorio, y la llamaremos Transformada generalizada positiva por motivos que se expondrán convenientemente. Uno de los problemas más sutiles de esta teoría consiste en hallar un conjunto tomográfico que cumpla las condiciones necesarias para permitir reconstruir el estado a partir de él. Sin embargo, veremos que de manera natural, las representaciones unitarias irreducibles de un grupo finito o de Lie compacto proporcionan conjuntos tomográficos que cumplen las condiciones requeridas, por eso, nos centraremos en el estudio de la reconstrucción de estados a partir de grupos relacionados con el sistema físico dado. Aunque también destacaremos que existen otras representaciones unitarias que nos permiten reconstruir el estado cuántico a partir de ellas, como lo es la representación unitaria irreducible del grupo de Heisenberg Weyl dada por el álgebra de Lie que forman los operadores momento y posición cuánticos que es el ejemplo con el que nace la tomografía cuántica introducido en el primer capítulo. En el tercer capítulo presentaremos un algoritmo numérico que se deriva a partir de unos estados que llamaremos estados adaptados que habremos definido en el capítulo anterior. Este algoritmo nace como un problema inverso, ya que hasta entonces nos habremos centrado en reconstruir estados a partir de un conjunto tomográfico, en especial, cuando el conjunto tomográfico está definido a partir de una representación unitaria de un grupo. Este problema inverso consiste en determinar qué información es posible obtener de una representación unitaria de un grupo si se tiene una familia de estados que describe un sistema físico relacionado con un grupo de simetría. La respuesta a esta pregunta es muy satisfactoria ya que es posible conocer la matriz de transformación de base que nos permita transformar la base, en la que está descrita la representación unitaria, en una base adaptada a los subespacios invariantes bajo la acción de todos los elementos de la representación. Este problema se conoce como descomposición de Clebsh Gordan, ya que dicha transformación aplicada a la representación unitaria la convierte en una matriz diagonal por bloques en la que cada bloque corresponde a una representación unitaria irreducible. La manera en la que resolveremos este problema es con un algoritmo numérico que sólo requiere dos estados adaptados como argumentos de entrada, que pueden ser obtenidos de manera directa si se conoce de forma explícita la representación unitaria que queremos reducir. Este algoritmo lo hemos bautizado con el nombre de SMILY. Hay que destacar que como este algoritmo se ha generado sólo aplicando ciertas transformaciones unitarias sobre matrices que representan un estado cuántico, tiene una extensión natural que podría implementarse en un ordenador cuántico. Para acabar esta tesis, generalizaremos la descripción tomográfica a campos clásicos y cuánticos. Para el caso clásico, primero realizaremos una descripción tomográfico para sistemas con finitos grados de libertad y obtendremos el equivalente tomográfico de la ecuación de Liouville para una densidad de probabilidad y tras esto, haremos el mismo análisis para sistemas con infinitos grados de libertad. Para obtener la descripción tomográfica para campos cuánticos, partiremos del concepto de segunda cuantización y mostraremos el equivalente tomográfico de los axiomas de Wightman Streater para una teoría cuántica de campos. Y para terminar, obtendremos un teorema de reconstrucción para campos escalares y calcularemos el tomograma de ciertos estados de un campo cuántico escalar libre. Comentemos esto último diciendo que es el inicio de una teoría que permitirá una descripción tomográfica de estados, por ejemplo ligados, para teorías con interacción. Para concluir este resumen, quisiera resaltar que el lector especializado, si lo considera conveniente, puede comenzar a leer a partir del segundo capítulo, ya que aunque el primer capítulo sirve como motivación de porqué desarrollar una descripción tomográfica de la mecánica cuántica, el texto puede comprenderse si previamente no se ha leído.
Como hilo conductor, la tesis trata la posibilidad de caracterizar y detectar propiedades no locales de gases atomicos ultrafrios. La principal motivacion para esta coleccion de propuestas surge del campo de la simulacion cuantica y la informacion cuantica. A continuacion vamos a listar los resultados principales de esta tesis, siguiendo aproximadamente el orden en que han sido estructurados los capitulos: Hemos revisado la forma en la que un modelo de tipo enlace fuerte con particulas masivas puede dar lugar a teorias de fermiones sin masa de Dirac en el limite de baja energia. En particular, se detalla la relacion entre todos los posibles terminos que pueden incluirse en el Hamiltoniano (sin interaccion) y los parametros microscopicos controlables. Las especificidades de la implementacion son explicadas de forma cuantitativa, con el objetivo de realizar una propuesta experimental completa.Por ultimo, se sugiere el empleo de varios protocolos de medida, segun las caracteristicas particulares del experimento que se quiera realizar, y que allanan el camino para la realizacion de simulaciones mas complejas en experimentos similares. Hemos demostrado que un aislante de Chern puede ser implementado y car- acterizado en un experimento de redes opticas. Un indice (o winding number, en ingles) que toma valores en los enteros puede ser medido a partir de imagenes en tiempo de vuelo del gas atomico, lo que resulta equivalente a la medida de su numero de Chern. Hemos comprobado numericamente que el protocolo de deteccion es robusto frente a las inhomogeneidades y temperaturas propias de estos experimentos con redes opticas, como cabe esperar de un invariante topologico entero. Hemos demostrado que el numero de Chern de un sistema 4x4 con invariancia traslacional puede ser descompuesto como la suma de las fases de Berry de dos particiones de tipo pseudoespin. La prueba requiere que dichas particiones no se encuentren maximamente entrelazadas en ningun punto en espacio de momentos -lo que supone una gran restriccion a la hora de seleccionar las biparticiones. En general, esta restriccion implica motivar la eleccion de particiones en base a alguna simetria del problema. Ademas, y basandonos en este resultado y el expuesto en el punto anterior, podemos concluir que el numero de Chern de un sistema compuesto tambien puede ser medido mediante imagenes en tiempo de vuelo; exponemos este resultado con un ejemplo paradigmatico: una propuesta para medir modos de Majorana en un experimento con redes opticas completamente detallado. Hemos construido un modelo de enlace fuerte que incluye el efecto de potenciales Abelianos y no Abelianos sobre fermiones masivos. Las medidas realizadas unicamente en el grado de libertad de espin son suficientes para construir un indice topologico que cambia de valor al cruzar una transicion de fase provocada por el potencial no Abeliano, como se demuestra numericamente. Reafirmando la intuicion de la que nos dota el resultado expuesto en el punto anterior, la cantidad de informacion extraida a partir de estas medidas parciales depende criticamente de la ruptura de simetrias relevantes del problema. Hemos demostrado que la fidelidad local a un estado grafo puede ser medida en un modelo sencillo de bits cuanticos- en una red atomica bipartita. Lo que es mas importante, esta fidelidad contituye un testigo de entrelazamiento genuinamente multipartito que puede ser computado sobre regiones arbitrarias, haciendo uso unicamente de dos conjuntos de medidas simultaneas. Hemos incluido evidencia numerica de que este protocolo funciona aun en presencia de diferentes fuentes de ruido propias de experimentos con redes opticas. Aunque las medidas son en si destructivas, el metodo es util tanto como forma de certificar entrelazamiento entre muchas particulas como para calibrar un experimento que tenga el proposito de construir estados grafo de gran tamano.
Se formalizo la teoria de los estados coherentes y comprimidos del oscilador armonico mediante
los operadores de Weyl (relacionado con el grupo de Heisenberg – Weyl 1 ) y el
operador de compresion (relacionado con el grupo de Lie no compacto 2,1 ). Las
propiedades de estos estados de la optica cuantica se obtienen aplicando la mecanica cuantica y
la teoria de grupos, dando asi un tratamiento intermedio entre la optica cuantica y el formalismo
matematico de la teoria de grupos. Se encontro para estos grupos 1 y 2,1 una
representacion en terminos de los operadores de ascenso y descenso y del oscilador
armonico.
Se desarrollo un metodo, basado en la propiedad de traslacion del operador de Weyl y su
analogo para el operador de compresion , para calcular algunas de las propiedades de los
estados coherentes y comprimidos, verificandose que los estados coherentes son estados de
minima incertidumbre en el tiempo de acuerdo a la desigualdad de incertidumbre de Heisenberg,
y los estados comprimidos son de minima incertidumbre de acuerdo a la desigualdad
generalizada de Schrodinger.
Se calcularon las correlaciones cuanticas dependientes y no dependientes del tiempo de los
operadores no dependientes y dependientes del tiempo, de posicion y de momento de los
estados coherentes y comprimidos. Se demuestra que los estados coherentes no estan
correlacionados, mientras que los estados comprimidos si lo estan. Comparamos el producto de
las dispersiones dependientes y no dependientes del tiempo de los estados coherentes y de los
estados comprimidos. Se encontro que estos difieren en un termino adicional que aparece en los
estados comprimidos, el cual se atribuyo a la correlacion cuantica de estos.
Se generalizan los resultados obtenidos para los estados coherentes y comprimidos al estudiar los
estados coherentes y comprimidos del oscilador armonico, utilizando el metodo desarrollado en
el tratamiento de los estados coherentes y comprimidos. Se demuestra que los estados coherentes
y comprimidos de numero tambien son de minima incertidumbre en el tiempo, nuevamente de
acuerdo a las desigualdades de Heisenberg y Schrodinger, respectivamente.
Durante las últimas décadas se han logrado grandes avances en la manipulación desistemas físicos en la escala nano y subnanoscópica, donde la coherencia cuánticajuega un papel dominante. Algunos hitos registrados en los últimos años son lamanipulación óptica de partículas individuales en trampas de iones, la interaccióncontrolada de un solo electrón con fotones individuales en puntos cuánticos desilicio y la realización de bits cuánticos (qubits) con largos tiempos de coherencia en circuitos superconductores. Actualmente, la habilidad de diseñar la evolución de sistemas cuánticos con gran precisión está allanando el camino para una nueva revolución en las tecnologías cuánticas. En esta Tesis estudiamos desde el punto de vista teórico el problema de controlen sistemas cuánticos. Un aspecto central de este problema es que la presenciade disipación y decoherencia por lo general impide que el sistema sea manipuladoarbitrariamente. Cuando estos efectos no pueden ser eludidos, es esencial efectuarlos protocolos de control de la manera mas rápida posible. En este contexto,realizamos un estudio de los límites fundamentales que existen para la velocidadde evolución en sistemas cuánticos. Estos límites surgen de generalizaciones dela relación de incerteza entre tiempo y energía, que impone cotas inferiores a lostiempos de evolución. Estudiando el escenario general de un problema de control,donde los operadores Hamiltonianos dependen explícitamente del tiempo,mostramos que en general estas relaciones no proveen información útil que permitaacotar tiempos mínimos en estos problemas. A la luz de estos resultados,proponemos nuevos métodos que efectivamente pueden ser aplicados a cualquiersistema cuántico controlado y que permiten estimar cotas para dichos tiempos. Un ingrediente esencial de las aplicaciones modernas de la teoría de control son los métodos de optimización. En esta Tesis estudiamos e implementamos numéricamentemétodos de control óptimo para sistemas cuánticos en diversos modelos de interés. En particular, utilizamos dichas herramientas para buscar los tiempos mínimosde evolución en sistemas cuánticos que presentan múltiples cruces evitados en suespectro de energías. Para este tipo de modelos, en primer lugar proponemosy caracterizamos un método general para realizar tareas de control, que generaevoluciones con velocidad óptima en cada cruce. Luego, usando métodos de optimización mostramos que el tiempo de evolución puede disminuirse a medida que elnúmero de niveles del sistema aumenta. Finalmente, a partir de estudiar el efectode campos periódicos en estos sistemas, logramos identificar los mecanismos físicosque generan este fenómeno y proponer una solución analítica para el campo decontrol. Adicionalmente, estudiamos la relación entre la controlabilidad de un sistemacuántico y su complejidad. Usando control óptimo, obtuvimos los campos necesariospara generar distintos procesos en una cadena de spines y estudiamos sistemáticamente las propiedades de dichos campos como función de distintos aspectos que hacen a la complejidad del sistema. Encontramos que el ancho debanda de los campos es, por lo general, independiente de la dimensión del sistema. Asimismo, la complejidad del espectro de Fourier del campo efectivamenteaumenta a medida que se incrementa el número de excitaciones en el sistema. Sinembargo, también concluimos que la naturaleza regular o caótica del sistema noafecta significativamente su controlabilidad. Finalmente, estudiamos sistemas cuánticos abiertos en presencia de campos externos. En ese contexto, actualmente se debate si los entornos no Markovianospueden ser usados como un recurso para mejorar la controlabilidad de dichos sistemas. Una de las características más atractivas de estos sistemas es que describenescenarios en los que la pérdida de información y de coherencia son reversibles y,por lo tanto, es posible ujo temporario de información desde el entorno hacia elsistema. Estudiamos la relación entre el grado de no-Markovianidad y la acciónde campos de control dependientes del tiempo en un sistema de dos niveles interactuando con un entorno estructurado a baja temperatura. Para este sistema,hallamos que aplicando campos periódicos sobre el sistema es posible aumentarconsiderablemente el grado de no-Markovianidad con respecto al caso estático. Asimismo exploramos la relación entre los efectos no Markovianos y el control, yargumentamos que dichos efectos no pueden considerarse como un recurso pararealizar protocolos de control.