ResumoEstudamos o emaranhamento quântico de estados puros emaranhados tri-partidos quando uma das partes é um qubit.Apresentamos um método para encontrar as decomposições do estado tri-partido mais simples do que sucessivas decomposições de Schmidt.Esse método permite encontrar uma grande quantidade de diferentes famílias de estados emaranhados tri-partidos.Essas famílias são classicadas de acordo com dimensão dos blocos de Jordan de uma matriz obtida do estado emaranhado.Além disso, também demonstramos que estados pertencentes a famílias distintas não podem ser convertidos um no outro por operações locais estocásticas com comunicação clássica (SLOCC).No caso de dois estados pertencentes à mesma família, obtemos condições necessárias e sucientes para sabermos se estes podem ser convertidos um no outro por SLOCC.No caso de serão, também podemos obter a operação do tipo SLOCC que realiza a conversão.
ResumoEstudamos o emaranhamento quântico de estados puros emaranhados tri-partidos quando uma das partes é um qubit.Apresentamos um método para encontrar as decomposições do estado tri-partido mais simples do que sucessivas decomposições de Schmidt.Esse método permite encontrar uma grande quantidade de diferentes famílias de estados emaranhados tri-partidos.Essas famílias são classicadas de acordo com dimensão dos blocos de Jordan de uma matriz obtida do estado emaranhado.Além disso, também demonstramos que estados pertencentes a famílias distintas não podem ser convertidos um no outro por operações locais estocásticas com comunicação clássica (SLOCC).No caso de dois estados pertencentes à mesma família, obtemos condições necessárias e sucientes para sabermos se estes podem ser convertidos um no outro por SLOCC.No caso de serão, também podemos obter a operação do tipo SLOCC que realiza a conversão.
Estudamos o emaranhamento quântico de estados puros emaranhados tri-partidos quando uma das partes é um qubit. Apresentamos um método para encontrar as decomposições do estado tri-partido mais simples do que sucessivas decomposições de Schmidt. Esse método permite encontrar uma grande quantidade de diferentes famílias de estados emaranhados tri-partidos. Essas famílias são classificadas de acordo com dimensão dos blocos de Jordan de uma matriz obtida do estado emaranhado. Além disso, também demonstramos que estados pertencentes a famílias distintas não podem ser convertidos um no outro por operações locais estocásticas com comunicação clássica (SLOCC). No caso de dois estados pertencentes à mesma família, obtemos condições necessárias e su cientes para sabermos se estes podem ser convertidos um no outro por SLOCC. No caso de serão, também podemos obter a operação do tipo SLOCC que realiza a conversão.
Propomos um metodo para obtencao de propriedades de sistemas quânticos compostos utilizando apenas medicoes estritamente locais e comunicacao classica. Isso difere dos esquemas usualmente utilizados em protocolos de informacao quântica, que se utilizam em sua maioria de operacoes globais e/ou operacoes locais conjuntas. Nosso tratamento consiste em analisar o efeito de medicoes em um subsistema sobre as submatrizes da matriz densidade do sistema composto. Analisamos entao como outros subsistemas podem ser expressos em termos dessas submatrizes, obtendo assim o efeito das medicoes feitas em um subsistema sobre os outros. Aplicamos esse resultado - valido para sistemas com espacos de Hilbert discretos de dimensao arbitraria - a dois problemas centrais em protocolos de informacao quântica: a reconstrucao de estados de sistemas compostos e a caracterizacao de emaranhamento. Para a tarefa de reconstrucao, mostramos como determinar um estado de um sistema composto de dimensao finita arbitraria utilizando apenas medicoes locais e comunicacao classica de uma via. A vantagem de nossa proposta esta em eliminar a necessidade de medicoes conjuntas, o que se traduz, no contexto de otica linear, em eliminar medicoes de coincidencia. Analisamos a caracterizacao de emaranhamento considerando classes especiais de estados. Para estados com alta simetria - estados isotropicos, de Werner e de simetria rotacional constituidos por um qubit e um qudit - mostramos uma relacao entre o grau de emaranhamento e a diferenca de populacao medida por um subsistema condicionada a medicoes de paridade do outro subsistema, relacao essa ja evidenciada em estados gaussianos simetricos. Alem disso, propomos uma nova familia de estados cujo emaranhamento pode ser caracterizado com muito menos recursos do que os utilizados para a reconstrucao, sendo esses recursos estritamente locais.
Abstract
Este trabalho discute como a possibilidade de se particionar sistemas quânticos em subsistemas menores e enumeráveis faz emergir um tipo de correlação quântica entre seus estados físicos conhecida como emaranhamento. Findada essa discussão inicial e estabelecidos os critérios de distinção entre estados emaranhados e não emaranhados, é evidenciado ainda não só como tal correlação pode ser explorada diante de protocolos de comunicação quântica como a teleportação, que se utilizam das reconhecidas operações locais e comunicações clássicas (LOCCs), mas também como a mesma pode ser quantificada por meio de duas classes distintas de objetos matemáticos: as medidas de emaranhamento e os monótonos de emaranhamento. Por fim, destacando um quantificador intitulado emaranhamento de formação e outro nomeado de concorrência, ambos muito bem definidos para sistemas de dois qubits, este trabalho ainda discute a emergência da condição de monogamia a partir da inserção de um terceiro qubit nessa configuração, com o intuito de expô-la na forma de uma desigualdade conhecida como desigualdade Coffman-Kundu-Wootters (CWK), que nos diz como a distribuição de emaranhamento em sistemas quânticos tripartidos deve se portar.
Nesta tese, inicialmente apresentamos um experimento para a geração de estados emaranhados de sistemas quânticos D-dimensionais, qudits, explorando a correlação transversal dos fótons gerados no processo da conversão paramétrica. Aberturas com D-fendas, colocadas ao longo dos braços dos fótons gêmeos, definem o espaço de Hilbert destes qudits. Devido a uma manipulação adequada do perfil transversal do feixe do laser, os fótons gêmeos irão passar somente através de fendas simetricamente opostas, gerando estados emaranhados entre os diferentes caminhos possíveis para a transmissão do par através destas aberturas. Resultados experimentais para qudits com D = 4 e 8 são mostrados. Nós demonstramos também que a correlação entre os qudits gerados é quântica. Em seguida, mostramos que estes estados de qudits podem ser propagados. Sua distribuição ao longo do espaço livre foi realizada em nosso laboratório e os estados propagados mantiveram uma fidelidade muito alta quando comparados com a sua forma original. Estudos sobre a propagação de estados de qudits são importantes porque seu uso permite um aumento na quantidade da informação que pode ser transmitida por par compartilhado e pode também garantir mais privacidade para as partes que se comunicam. No terceiro trabalho descrito nesta tese, demonstramos como uma pequena modificação do esquema adotado nos trabalhos anteriores, pode ser usada para se gerar estados mistos de qudits. Investigamos, também, a discriminação dos estado quânticos de sistemas compostos de dois qubits espaciais, motivados pelo fato de que os protocolos de Informação Quântica podem ser mais fáceis de serem implementados neste caso. Por meio de operações locais nos fótons gêmeos, realizamos o processo da tomografia quântica para reconstruir a matriz densidade de um estado misto de dois qubits espaciais. As matrizes densidade reconstruídas são úteis porque quantidades tais como a entropia e a concurrência de um sistema quântico, podem ser calculadas a partir delas. E em nosso último trabalho, depois de ter tido demonstrado a geração de estados puros e mistos de qudits espaciais, a sua propagação através do espaço livre e sua reconstrução através de técnica da tomografia quântica, mostramos que este tipo de estado espacial pode ser usado na prática, para se fazer um teste das desigualdades da Bell.
Além disso, o emaranhamento tem se mostrado um ingrediente indispensável no ramo da computação quântica (no processamento e transmissão de informação) e também na física da matéria condensada (na compreensão de transições de fase quântica). No presente trabalho temos por objetivo apresentar algumas formas de caracterizar tanto quantitativo, quanto qualitativamente, o emaranhamento. Em especial, pretendemos apresentar e aplicar o método desenvolvido por Dahl et al. [1]. Tal método consiste em determinar a distância do estado separável mais próximo do estado de interesse, uma vez que tal distância pode ser utilizada para medir o grau de emaranhamento do sistema. Entendemos por estado separável um estado que apresenta somente cor- relações clássicas, ou seja, um estado não-emaranhado, estados que não são separáveis são ditos emaranhados.
O fenômeno quântico do emaranhamento em sistemas de partículas idênticas ainda é motivo de discussões e divergências na comunidade acadêmica, tanto no que diz respeito à sua interpretação física e experimental, quanto em relação à maneira correta de se quantificá-lo. Por outro lado, sua correta compreensão é fundamental para o desenvolvimento de tecnologias baseadas em criptografia, computação e informação quânticas, medições de alta precisão, entre outras. Aqui, propõe-se um método simples, que lança mão da descrição baseada em partículas (primeira quantização), intuitivamente chamado de dessimetrização da base do espaço de Hilbert, que mostrou-se eficaz no cálculo do emaranhamento por meio do traço parcial do operador densidade, de maneira semelhante ao caso de partículas distinguíveis. Além disso, o trabalho também desenvolve um método para gerar estados maximamente emaranhados, que funciona para sistemas bipartidos idênticos e distinguíveis de dimensão finita, com igual importância para o desenvolvimento de tecnologias associadas ao fenômeno do emaranhamento quântico.