Neste trabalho, consideramos a arquitetura de Eletrodinâmica Quântica de Circuitos (EDQc), onde um átomo artificial de dois níveis interage com um único modo do campo eletromagnético quantizado confinado em um ressonador guia-de-onda sobre um chip supercondutor.Devido ao ambiente de alto controle em que a EDQc é formulada, consideramos modulações temporais periódicas de um ou mais parâmetros do sistema, impostas por um agente externo, caracterizando um sistema de EDQc não-estacionário.Um Hamiltoniano efetivo foi obtido para descrever a dinâmica do sistema e, de maneira mais intuitiva, caracterizar o efeito físico a ser tratado de acordo com a frequência de modulação imposta.Também descrevemos a dinâmica para modulações simultâneas e multifrequências.Entre os efeitos estudados estão os já conhecidos efeito Casimir dinâmico (ECD) e o comportamento anti-Jaynes-Cummings (AJC).Além desses efeitos, discutimos o regime anti-efeito Casimir dinâmico (AECD), que foi apresentado recentemente.Em seguida, propomos duas abordagens para estudarmos os efeitos da dissipação Markoviana nas transições induzidas por modulação usando os estados vestidos da interação átomo-campo.A primeira abordagem foi através da equação mestra padrão da óptica quântica, e a segunda abordagem foi através da equação mestra na representação vestida, que foi recentemente apresentada.Nós analisamos como os diferentes canais dissipativos afetam a dinâmica do sistema e averiguamos a possibilidade de implementação dos fenômenos físicos estudados na arquitetura de EDQc.
Neste trabalho, consideramos a arquitetura de Eletrodinâmica Quântica de Circuitos (EDQc), onde um átomo artificial de dois níveis interage com um único modo do campo eletromagnético quantizado confinado em um ressonador guia-de-onda sobre um chip supercondutor.Devido ao ambiente de alto controle em que a EDQc é formulada, consideramos modulações temporais periódicas de um ou mais parâmetros do sistema, impostas por um agente externo, caracterizando um sistema de EDQc não-estacionário.Um Hamiltoniano efetivo foi obtido para descrever a dinâmica do sistema e, de maneira mais intuitiva, caracterizar o efeito físico a ser tratado de acordo com a frequência de modulação imposta.Também descrevemos a dinâmica para modulações simultâneas e multifrequências.Entre os efeitos estudados estão os já conhecidos efeito Casimir dinâmico (ECD) e o comportamento anti-Jaynes-Cummings (AJC).Além desses efeitos, discutimos o regime anti-efeito Casimir dinâmico (AECD), que foi apresentado recentemente.Em seguida, propomos duas abordagens para estudarmos os efeitos da dissipação Markoviana nas transições induzidas por modulação usando os estados vestidos da interação átomo-campo.A primeira abordagem foi através da equação mestra padrão da óptica quântica, e a segunda abordagem foi através da equação mestra na representação vestida, que foi recentemente apresentada.Nós analisamos como os diferentes canais dissipativos afetam a dinâmica do sistema e averiguamos a possibilidade de implementação dos fenômenos físicos estudados na arquitetura de EDQc.
Neste trabalho investigamos a dissipação de um modo de campo eletromagnético imerso em uma cavidade óptica à temperatura nula. Analisamos primeiramente a situação átomo+cavidade e revisamos a abordagem usual para a descrição da dinâmica do campo via uma equação mestra obtida a partir de um modelo microscópico. Para certas condições iniciais do estado do campo oferecemos uma nova abordagem para o computo da dinâmica do sistema que repousa em hipóteses mais claras do que as necessárias para a obtenção da equação mestra. Em seguida, consideramos a interação do campo com um átomo de dois níveis modelada pelo Hamiltoniano de Jaynes-Cummings, e sob a dissipação da cavidade, com enfoque na dinâmica da inversão de população. A partir de expressões aproximadas para a dinâmica deste sistema, analisamos determinadas grandezas de interesse na dinâmica da inversão de população, como os tempos, larguras, frequências e amplitudes dos ressurgimentos. Repetimos a análise para a dinâmica do sistema sob o protocolo de eco , que consiste em reverter a dinâmica do sistema pela aplicação de um pulso elétrico no átomo. dinâmica do sistema pela aplicação de um pulso elétrico no átomo.
Nesta tese estudamos o controle da biestabilidade óptica absortiva em uma cavidade linear contendo uma coleção de átomos de dois e três níveis não interagentes fracamente acoplados a um único modo do campo. Mostramos que o controle para a configuração atômica de três níveis ocorre apenas nas condições de aprisionamento coerente de população e que o mesmo é sensível à coerência atômica induzida no sistema podendo ser manipulado através de diferentes parâmetros. Propomos algumas aplicações apresentando um efeito novo, o qual denominamos de biestabilidade óptica complementar, muito interessante para explorar dispositivos ópticos biestáveis com funções de cascatabilidade, como um transistor óptico. Estudamos também o controle óptico das flutuações do campo de prova pela combinação do fenômeno de transparência eletromagneticamente induzida para um único átomo no regime de acoplamento forte em eletrodinâmica quântica de cavidades. Especificamente, o campo de controle é utilizado para ajustar as frequências de transição dos estados vestidos ressonantemente ou quase ressonantemente com o campo de prova do sistema. Desta forma, efeitos de bloqueio de um e dois fótons e anti-bloqueio são observados produzindo campos sub- e super-Poissonianos, respectivamente. O controle quântico obtido pode ser promissor para a realização de um protótipo de um transistor quântico que amplifica e atenua flutuações quânticas do campo transmitido pelo sistema. A viabilidade desse dispositivo é demonstrada através de cálculos utilizando parâmetros de experimentos recentes.
A presente tese e dedicada a utilizacao de conhecidos sistemas quânticos em aplicacoes de interesse em optica e informacao quântica. Motivados pelos recentes avancos experimentais em sistemas formados por ions aprisionados interagindo com lasers e na eletrodinâmica quântica de cavidades, nos focamos grande parte de nossas propostas nestes sistemas. Mais especificamente, nos estudamos a interacao de ions e campos quantizados na chamada eletrodinâmica quântica de cavidades com ions aprisionados. Neste contexto, iniciamos nossos trabalhos com uma proposta de geracao de superposicoes mesoscopicas no movimento do ion. Uma vez que tais superposicoes sao muito sensiveis a decoerencia, incluimos perdas na cavidade para tratar uma situacao mais realista. Atraves da observacao de quantum jumps, ou foton-contagens fora da cavidade, mostramos um esquema de geracao de estados com caracteristicas quânticas muito similares aos encontrados no caso da cavidade ideal, sem perdas. Neste aspecto, encontramos um modo de usar a dissipacao a nosso favor, fato de grande interesse experimental devido as imperfeicoes dos espelhos reais. Apresentamos tambem uma proposta de implementacao de uma interacao do tipo Kerr em ions como uma alternativa ao uso de cristais nao-lineares que apresentam baixissima eficiencia para esse tipo de efeito. Essa proposta abre novas possibilidades para o uso de ions em medidas nao demolidoras e computacao quântica. Nossos estudos na area de eletrodinâmica quântica com ions aprisionados terminam com a analise dos efeitos do movimento do ion na dinâmica das transicoes multi-fotonicas. Esse e um estudo mais fundamental e esta relacionado com o entendimento da interacao da radiacao com a materia. Na ultima parte desta tese sao apresentados resultados sobre o uso de sistemas de muitos corpos para a distribuicao de informacao quântica. O objetivo de se estudar estes sistemas mais complexos e a busca de implementacao de protocolos quânticos em larga escala. Neste sentido, poderiamos pensar numa cadeia de osciladores harmonicos acoplados como ocorre em sistemas tipicos da fisica da materia condensada. Em particular, nos estudamos como aumentar a eficiencia na transmissao de emaranhamento nestas cadeias. Propusemos um esquema que funciona como um tipo de quantum data bus, ou onibus quântico para transportar e distribuir emaranhamento com alta eficiencia
Abstract
A perspectiva de simular fenomenos quânticos de sistemas de muitos corpos em cavidades
opticas acopladas tem atraido bastante interesse nos ultimos anos. O alto
grau de controle experimental e a natureza hibrida das particulas envolvidas, denominada
polaritons, fornecem uma nova direcao no estudo de sistemas fortemente
correlacionados envolvendo interacao entre luz e materia. Alem disso, redes de cavidades
sao plataformas promissoras para processamento de informacao quântica
em redes quânticas. Esta tese e constituida por dois estudos em redes de cavidades
acopladas descritas pelo modelo Jaynes-Cummings-Hubbard. Em particular,
desenvolvemos protocolos de transferencia e controle de estados quânticos em duas
estruturas distintas. No primeiro estudo, consideramos uma cadeia unidimensional
de cavidades com um padrao alternado de acoplamento entre as cavidades, cada
uma interagindo com um atomo. Neste cenario, um par de modos normais do campo
eletromagnetico torna-se fortemente localizado nas extremidades da cadeia. Dessa
forma, uma vasta estrutura de regimes dinâmicos pode ser manipulada dependendo
da ressonância entre os modos normais atomicos e do campo. Mostramos como
isso pode ser utilizado para realizar protocolos de transferencia de estado quântico
envolvendo estados fotonicos, atomicos ou hibridos, com alta fidelidade. Tambem
discutimos como reduzir o tempo de transmissao de estados, sem comprometer sua
eficiencia, particionando a cadeia em modulos. Em seguida, exploramos a dinâmica
de excitacoes atomicas e fotonicas em uma rede complexa de Apolonio considerando
diversos regimes de interacao. Mostramos que o espectro de modos normais induzido
por este tipo de rede tambem oferece diversas alternativas no controle da dinâmica
do sistema. Alem disso, a natureza complexa da rede de Apolonio induz uma dinâmica
de propagacao nao-trivial que depende do grau de conexao entre os sitios,
podendo ser assim aplicada para conectar diferentes usuarios de uma rede quântica.
Nossos resultados contribuem para o desenvolvimento de protocolos de comunicacao
em redes quânticas utilizando dispositivos de interface luz-materia, abrindo assim
caminho para o processamento de informacao quântica em larga escala.
Neste trabalho analisamos o comportamento dinâmico de um modelo clássico e de um modelo quântico de spins na presença de um campo magnético externo. Para estudar a dinâmica de um sistema de spins clássico utilizamos um modelo de Ising bidimensional com interações entre spins primeiros vizinhos na direção vertical diferente daquelas entre spins primeiros vizinhos na horizontal. Através do formalismo da equação mestra, e considerando o processo estocático de Glauber dentro da aproximação de pares dinâmica, determinamos os diagramas de fases estacionários para o modelo na presença de campos magnéticos estáticos e oscilantes no tempo. Dependendo dos valores da razão entre os acoplamentos na horizontal e na vertical, da frequência e da amplitude do campo oscilante, obtemos diagramas de fases onde estão presentes os ordenamentos ferromagnético, paramagnético e antiferromagnético. Além disso, a transição entre as fases pode ser contínua ou descontínua dependendo dos valores dos parâmetros. O modelo também pode apresentar um comportamento tricrítico. O modelo de Ising em um campo transverso unidimensional à temperatura nula foi o modelo escolhido para estudarmos a resposta de sistemas quânticos de spins sujeitos a campos magnéticos que oscilam periodicamente no tempo. Usamos a aproximação de campo médio e simulações de Monte Carlo para determinar a linha de transição contínua entre as fases ferromagnética e paramagnética presentes no diagrama de fases dinâmico do modelo.
O modelo de dois níveis, na aproximação de onda girante, é um modelo quântico simples e tem sido utilizado como um candidato para modelar gates de fase geométricas entre ionsqubits na magnético externo. Estes modelos de dois níveis podem ser obtidos experimentalmente através da interação de um campo magnético externo com uma particula de spin-1̸ 2 ou acoplando a matéria a um campo elétrico externo, na aproximação de dipolo elétrico. A hamiltoniana na aproximação de ondas girantes tem sido usada em computação quântica. Os principais objetivos desse trabalho foram obter os autoestados e autovalores do modelo de dois niveis para o caso geral, ou seja, sem a implementação da onda girante e posteriormente obter a dinâmica exata do modelo para a aproximação de onda girante aplicada ao campo eletrico. Foram obtidos os autoestados e autovalores do modelo para o caso geral. Para obter a dinâmica exata do modelo fermionico de dois níveis, usamos a representação do vetor físico escrito na base dos autoestados instantâneos da hamiltonia. A partir, daí, usamos a equação de Schrödinger para obter a evolução dinâmica, na forma das equações diferenciais acopladas para cada coeficiente do vetor físico. Os coeficientes obtidos para o caso de um campo elético uniforme demonstraram ser independentes do tempo, não gerando as fases de Aharonov-Anandan.