El entrelazamiento puede abordarse desde dos perspectivas diferentes: como un recurso esencial para las tecnologías cuánticas y como un fenómeno fundamental que está íntimamente relacionado con nuestra comprensión de la naturaleza misma. Por otro lado, la teoría cuántica se formula en el marco teórico de los espacios de Hilbert, para los que el entrelazamiento juega un papel importante en la determinación de su geometría y topología. Las características topológicas que puedan exhibirse al utilizar estados entrelazados son largamente independientes de la realización física particular del entrelazamiento: puede afectar a un solo grado de libertad poseído por dos partículas diferentes, o bien puede implicar dos grados diferentes de libertad que se cohesionan a una misma partícula o entidad física, por ejemplo, un campo electromagnético. Resulta que la manipulación de los grados de libertad de polarización y momentum (camino) ya sea de forma independiente el uno del otro o mediante la aplicación de evoluciones unitarias no separables es muy versátil. Con esto en mente, la presente tesis apunta hacia el diseño e implementación de arreglos experimentales que se pueden utilizar para estudiar fases geométricas y topológicas en sistemas de dos qubits mediante el uso de los grados de libertad de momentum (camino) y polarización de un solo fotón. Finalmente mostramos el diseño de un experimento, apuntado a exhibir la fase topológica, y los resultados obtenidos.
El entrelazamiento puede abordarse desde dos perspectivas diferentes: como un recurso esencial para las tecnologías cuánticas y como un fenómeno fundamental que está íntimamente relacionado con nuestra comprensión de la naturaleza misma. Por otro lado, la teoría cuántica se formula en el marco teórico de los espacios de Hilbert, para los que el entrelazamiento juega un papel importante en la determinación de su geometría y topología. Las características topológicas que puedan exhibirse al utilizar estados entrelazados son largamente independientes de la realización física particular del entrelazamiento: puede afectar a un solo grado de libertad poseído por dos partículas diferentes, o bien puede implicar dos grados diferentes de libertad que se cohesionan a una misma partícula o entidad física, por ejemplo, un campo electromagnético. Resulta que la manipulación de los grados de libertad de polarización y momentum (camino) ya sea de forma independiente el uno del otro o mediante la aplicación de evoluciones unitarias no separables es muy versátil. Con esto en mente, la presente tesis apunta hacia el diseño e implementación de arreglos experimentales que se pueden utilizar para estudiar fases geométricas y topológicas en sistemas de dos qubits mediante el uso de los grados de libertad de momentum (camino) y polarización de un solo fotón. Finalmente mostramos el diseño de un experimento, apuntado a exhibir la fase topológica, y los resultados obtenidos.
Las fases geometricas son tema de investigacion actual en diversas areas de la fisica.
Interesa investigarlas tanto por razones de caracter teorico, cuanto por razones ligadas a sus aplicaciones. Entre estas ultimas resaltan las aplicaciones en informacion cuantica. Un computador cuantico esta basado en la posibilidad de generar, almacenar y manipular bits de informacion codificados en los grados de libertad de sistemas cuanticos. Estos son llamados qubits. Los qubits son superposiciones coherentes de dos estados fundamentales. Mientras su contraparte clasica puede valer 0 o 1 excluyentemente, el qubit puede tomar ambos valores 0 y 1 simultaneamente. Esto hace posible procesar informacion con mucha mayor rapidez en comparacion a una computadora clasica. El problema central con los qubits es que son sumamente fragiles, de modo que su tiempo de vida media es muy pequeno. El fenomeno que lleva a un estado de superposicion hacia un estado clasico se llama decoherencia. Para que un computador cuantico sea viable, es necesario contar con qubits cuya vida media sea mayor que el tiempo que toma realizar operaciones sobre ellos (computacion). Una ruta muy promisoria es la que se basa en las fases geometricas. Ellas permiten realizar operaciones que, de un lado, pueden ser muy rapidas y, de otro lado, pueden ser inmunes o muy robustas frente a la decoherencia. Para implementar
computacion cuantica geometrica, es entonces necesario ser capaz de manipular
fases geometricas con gran versatilidad. Contribuyendo a este in, esta tesis presenta
nuevos resultados en la manipulacion de fases geometricas que aparecen cuando el qubit esta codificado en fotones polarizados. Esta tesis contiene dos partes principales. En la primera parte hacemos un intento preliminar en manipular fases en estados de polarizacion. Especificamente, tratamos a la fase de Pancharatnam (fase total) que resulta de evoluciones unitarias arbitrarias. Discutimos los aspectos teoricos involucrados y mostramos en detalle como hacer que un estado de polarizacion siga cualquier curva sobre la esfera de Poincare. Luego presentamos los metodos utilizados para llevar a cabo las mediciones de la fase total acumulada a lo largo de la evolucion del estado. En la segunda parte de esta tesis, extendemos nuestros metodos y desarrollamos tecnicas para suprimir localmente las fases dinamicas que puedan aparecer durante la evolucion del estado de polarizacion. Esto nos permite observar y medir fases geometricas. Usando metodos similares a los discutidos en la primera parte, mostramos finalmente que las fases geometricas observadas experimentalmente coinciden con las predicciones teoricas con buena aproximacion.
Los contenidos de esta memoria se resumen a continuación: En primer término, se analiza las propiedades básicas de los sistemas cuánticos discretos. Se estudia y compara las descripciones posibles de la fase para estos sistemas, considerando dicha descripción a través de una descomposición polar, a través de POVMs, y por último como la variable complementaria a una amplitud dada. A continuación se investiga un operador apropiado para la fase relativa en interacciones de átomos de dos y tres niveles con campos cuánticos. Se recurre a una descomposición polar correspondiente basada en la teoría de deformaciones polinómicas de su(2) y su(3), respectivamente. El espectro de la fase relativa es discreto, lo que resulta muy sorprendente desde un punto de vista físico. A partir de los estados de fase obtenidos con este procedimiento, se define una distribución de probabilidad, se estudia su evolución temporal, y se muestra como este formalismo podría aplicarse al entendimiento de fenómenos cada vez más complejos. Inspirados por el comportamiento de los modelos lineales con simetría su(2), se introducen pequeñas “rotaciones” generadas por deformaciones polinómicas. Cuando un parámetro controlable llega a ser pequeño, dichas rotaciones permiten describir en modelo original en términos de un hamiltoniano efectivo. La Óptica cuántica establece la existencia de estados de polarización que no pueden ser descritos de manera apropiada a través del formalismo semiclásico basado en los parámetros de Stokes. En esta memoria se aboga por el uso de grados de polarización basados en distancias. Dicha definición está estrechamente relacionada con otras propuestas recientes en áreas diferentes a la Óptica cuántica, y se comporta bien aún cuando el formalismo clásico resulta insuficiente. Para terminar, se proporciona una descripción completa de los estados de polarización máxima así como esquemas experimentales para su obtención
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.
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.
El entrelazamiento es una de las caracteristicas mas notables de la mecanica cuantica. Esta propiedad holisitica presente en los sistemas compuestos ha demostrado ser un recurso fundamental para complementar comunicaciones clasicas y desarrollar protocolos tales como la teleportacion y criptografia cuantica. En esta monografia, nos dedicamos a investigar el entrelazamiento desde un punto de vista geometrico. Usando herramientas de la geometria diferencial (grupos de Lie, fibrados de Hopf, etc) estudiamos el espacio de estados cuanticos de un sistema de dos Qubits puros. Damos una clasificacion topologica completa de las distintas subvariedades con entrelazamiento fijo conocidas como isoconcurrencias. Demostramos que estas isoconcurrencias poseen una estructura de fibrado y argumentamos que el entrelazamiento entre dos qubits puede interpretarse como una obstruccion topologica que impide que las isoconcurrencias entrelazadas sean productos cartesianos. Este texto es accesible a cualquier lector con un nivel de pregrado en fisica o matematicas. Se incluyo una introduccion basica en geometria diferencial y mecanica cuantica con el proposito de hacer este libro autocontenido.
Debido a la generalidad de su formulación, las fases geométricas han sido objeto de constantes investigaciones en áreas muy diversas y han llevado a muchos desarrollos, tanto en aplicaciones como en trabajo teórico. Esta tesis se incluye dentro de las investigaciones experimentales y se enfoca en las fases geométricas que aparecen al manipular el grado de libertad de polarización. Se divide en dos partes. La primera se centra en la generación eficiente de estados mixtos de polarización y comienza con su análogo clásico: luz láser parcialmente polarizada. Después de demostrar que el arreglo propuesto permite un control casi arbitrario del estado de polarización generado, este es modificado ligeramente para que trabaje con fotones individuales sin perder el grado de control obtenido. En la segunda parte se generan estados mixtos de polarización que luego son sometidos a distintas evoluciones, obteniendo as__ fases geométricas. Luego, estas son determinadas mediante su relación con las fases de Pancharatnam correspondientes, que son cantidades directamente observables. En aquellos casos en que la fase geométrica se pudo medir, el valor experimental se ajustó muy bien a la predicción teórica.