En este trabajo se estudia la evolución de correlaciones cuánticas en un modelo Tavis-Cummings que consta de dos qubits y un único modo cuantizado del campo electromagnético. Se consideran procesos de emisión/absorción de un sólo fotón y de dos fotones correlacionados, para cada uno de los qubits. El modelo se estudia teniendo en cuenta disipaciones unifotónicas y bifotónicas, a través de una cavidad que interactúa con un reservorio térmico. La solución numérica de una ecuación maestra Lindblad nos permite realizar una descripción de la evolución de las correlaciones cuánticas, entrelazamiento cuántico y discordia cuántica, en función del tiempo para un estado atómico tipo superposición. Se muestra que los diferentes resultados de las correlaciones cuánticas, presentan comportamientos cualitativamente diferentes en su evolución.
En este trabajo se estudia la evolución de correlaciones cuánticas en un modelo Tavis-Cummings que consta de dos qubits y un único modo cuantizado del campo electromagnético. Se consideran procesos de emisión/absorción de un sólo fotón y de dos fotones correlacionados, para cada uno de los qubits. El modelo se estudia teniendo en cuenta disipaciones unifotónicas y bifotónicas, a través de una cavidad que interactúa con un reservorio térmico. La solución numérica de una ecuación maestra Lindblad nos permite realizar una descripción de la evolución de las correlaciones cuánticas, entrelazamiento cuántico y discordia cuántica, en función del tiempo para un estado atómico tipo superposición. Se muestra que los diferentes resultados de las correlaciones cuánticas, presentan comportamientos cualitativamente diferentes en su evolución.
En este trabajo se estudian las correlaciones cuánticas, entrelazamiento y discordia, de dos qubits ubicados cada uno en su respectiva cavidad, las cuales interactúan con un reservorio común. Cada qubit interactúa con su respectiva cavidad mediante la emisión/absorción de dos fotones correlacionados (bi-fotón). Inicialmente, los átomos se consideran en un estado tipo Bell diagonal y las cavidades en estado vacío. Se calcula la evolución de las correlaciones y, para el modelo con interacciones bifotónicas sin pérdidas de fotones a través de la cavidad, se encuentra el efecto de congelamiento de las correlaciones. Cuando hay pérdidas unifotónicas o bifotónicas hacia el reservorio se evidencia un decaimiento de las correlaciones. Se nota que los qubits se encuentran entrelazados en un lapso de tiempo más largo cuando se considera interacciones y pérdidas bifotónicas.
Uno de los aspectos más importes en el contexto de información cuántica del cual hacen uso las llamadas tecnologías cuánticas, es el de correlaciones cuantías. En particular, el denominado entrelazamiento cuántico (traducción acogida para el termino Entanglement), que ha sido arduamente estudiado como una correlación intrínseca de estados cuánticos, y como recurso físico para desarrollo de protocolos de información y computación cuántica [2]. Sin embargo, desde el año 2000 los reportes sobre nuevas correlaciones cuánticas más generales que el entrelazamiento, originalmente denominada discordia cuántica [3] abrieron todo un campo de investigación. Dado que estas correlaciones son importantes, no solo desde un punto de vista teórico de su definición y propiedades, sino también desde una perspectiva de aplicación como recurso cuántico para futuras tecnologías, y que estas dependen de medidas locales realizadas sobre las partes del sistema haciendo que existan muchas formas de definir correlaciones tipo discordia cuántica, esto es gracias a que en mecánica cuántica se cuenta con diversas transformaciones locales, como por ejemplo; transformaciones unitarias, medidas de von Neumann, proyecciones, etc [4]. En este trabajo se presenta un estudio comparativo de dos cuantificadores de correlaciones tipo discordia cuántica; una definición inducida de la información mutua (a la que originalmente se le atribuye el nombre de discordia), y una definición basada en coherencia, que denominaremos potencia de interferometría. La comparación se hace sobre las definiciones y propiedades de los cuantificadores. Específicamente se realizó una comparación sistemática de la discordia original y la potencia de interfermetría sobre estados mezclados como sigue: i) estados combinados con ruido blanco, en el que uno de los componentes de la mezcla es el operador identidad, ii) mezcla de dos estados cuánticos correlacionados, y iii) mezcla de un estado correlacionado con un estado producto. Los tres casos pueden parametrizarse con un único parámetro p con 0 ≤ p ≤ 1. La variación del parámetro, modela de forma sencilla la acción de canales de ruidos que transforman un estado cuántico en otro. Sin embargo, aquí no nos interesamos por modelar un ruido en específico, sino en estudiar el comportamiento de las correlaciones en los casos establecidos, donde observamos sus definiciones, algunas de sus propiedades y la forma de calcularlas para estados cuánticos de dos qubits, los resultados ilustran el comportamiento de éstos dos cuantificadores, los cuales toman valores diferentes para estados mezclados. También, se realizó el estudio comparativo del comportamiento de los dos cuantificadores en la evolución de estados cuánticos de qubits en un entorno disipativo, los resultados ilustran el efecto sobre éstos dos cuantificadores debido a la interacción con un reservorio, cuyos parámetros son controlados dentro del régimen de Born-Markov.
El aspecto más importante para el almacenamiento y procesamiento de la in- formación del cual hacen uso las llamadas tecnologías cuánticas, es el hecho de que los sistemas atómicos presentan correlaciones que no tienen contra- parte clásica. En particular, la discordia cuántica es la forma más general de correlaciones en los sistemas cuánticos, que se conoce hasta el momento. En este trabajo comparamos dos cuantificadores de correlaciones tipo discordia, haciendo énfasis en su comportamiento para diferentes estados de dos qubits. Consideramos la definición original y la discordia cuántica como potencia de interferometría. Como resultados, mostramos que ambos cuantificadores tienen comportamientos similares, que sin embargo difieren en magnitud para la mayoría de los estados mezclados estudiados. Dicha variación podría indicar que un cuantificador (el de mayor magnitud) es más factible a ser detecta- do experimentalmente. Además, en el escenario real de emisores cuánticos, mostramos que los efectos físicos como la interacción dipolar y la influencia colectiva del proceso de emisión espontánea, pueden favorecer las correlaciones cuánticas al incrementar su magnitud en vez de deteriorarlas. Esto es de gran importancia para protocolos de transmisión de información en sistemas atómicos y fotónicos.
En la presente tesis se aborda el procesado cuantico de informacion en sistemas opticos cuanticos. El trabajo se centra en el dominio de la electrodinamica cuantica en cavidades (cavity-QED) donde el campo electromagnetico constituido por unos pocos fotones se encuentra confinado en una cavidad consistente en dos espejos de alta calidad alineados de forma que sea posible confinar los modos resonantes durante tiempos lo suficientemente elevados como para que la interaccion luz-materia pueda ser relevante. En cavity-QED es posible reducir la interaccion luz-materia al caso mas simple: el modelo de Jaynes-Cummings, donde unos pocos atomos pueden interaccionar con un unico modo de radiacion confinado en una cavidad. Tipicamente, el sistema cuantico esta constituido por los estados cuanticos del atomo y el campo electromagnetico, por ejemplo: el numero de fotones de cada polarizacion. En este contexto, y considerando sistemas atomicos de tres niveles proponemos unos modelos para realizar ingenieria cuantica en cavity-QED. Por un lado, proponemos la realizacion de una puerta logica cuantica de fase para dos pulsos cuanticos de luz ortogonales en polarizacion. Asimismo, considerando estados del campo de radiacion en un estado coherente o semi-clasico es posible crear estados de fotones entrelazados en polarizacion mediante la aplicacion de la puerta de fase. Por otro lado, proponemos un nuevo mecanismo para crear pares de fotones entrelazados, constituido por un atomo de tres niveles interaccionando, sucesivamente, con los modos confinados en dos cavidades. Esta ultima propuesta tiene un gran interes por su posible aplicacion a la criptografia cuantica. El estudio de la dinamica de los modelos propuestos se ha realizado mediante las formulaciones: matriz densidad, ecuacion de Schrodinger y el metodo de los saltos cuanticos. Estos metodos permiten obtener resultados realistas puesto que incorporan la presencia de procesos
Uno de los retos actuales en el campo de la información es la construcción de un ordenador cuántico. En un ordenador cuántico se sustituye la unidad de información de los ordenadores clásicos, el bit, por un bit cuántico o qubit. El principio de superposición, inherente a la física cuántica, permite entonces manejar estados "superposición". Esta posibilidad abre una puerta a la implementación de nuevos algoritmos y podría permitir simulaciones y cálculos impracticables con tecnologías clásicas. Los tres obstáculos principales a la hora de construir un ordenador cuántico son: - Encontrar sistemas físicos que tengan las propiedades adecuadas para ser qubits. Se buscan principalmente que sean equivalentes a un sistema cuántico de dos niveles en el régimen de trabajo. Existen sistemas que, de forma natural, ya presentan esta característica, por ejemplo espines nucleares, atómicos o moleculares o dipolos eléctricos. Por otro lado, también existen sistemas sintéticos que pueden fabricarse con las características deseadas. Estos últimos son determinados circuitos cuánticos como los qubits de carga o qubits de flujo (superconductores). - Encontrar sistemas para inicializar, leer, escribir y manipular los qubits así como para acoplarlos entre sí generando entrelazamiento cuántico y creando puertas lógicas cuánticas. Los qubits no solo tienen que almacenar información, sino que además deben poder ser manipulados de forma efectiva. Asimismo, la información ha de ser transferida de un lugar del sistema a otro (bus cuántico). La forma más natural de manipular los distintos qubits es mediante su acoplo a radiación electromagnética. Los fotones son de forma natural objetos cuánticos y ofrecen un muy efectivo medio para la transferencia de información cuántica. - Mantener la coherencia cuántica de los qubits. Los sistemas y efectos cuánticos son típicamente muy sensibles a perturbaciones externas y cualquier interacción con el entorno puede destruir su coherencia. La necesidad de aislarlos adecuadamente del entorno compite directamente con la facilidad de manipularlos y ponerlos en interacción mutua. En este contexto, tiene especial importancia el estudio de la interacción de fotones individuales con sistemas cuánticos candidatos a ser qubits. El ejemplo arquetípico para el estudio de esta interacción son los sistemas de electrodinámica cuántica de cavidades (Cavity Quantum Electrodynamics o CQED en inglés). Éstos consisten en un sistema cuántico de dos niveles acoplado a único modo de la radiación electromagnética, por ejemplo, a fotones almacenados en una cavidad. La intensidad del acoplo fotón-qubit ha de superar las frecuencias de coherencia de ambos subsistemas. Este régimen de acoplo fuerte permite que, durante el tiempo de vida del sistema, se pueda realizar un numero suficientemente elevado de operaciones. Con el objeto de aumentar el acoplo entre los fotones de una cavidad y un qubit, se han investigado distintos tipos de cavidades y qubits que permiten alcanzar el régimen de acoplo fuerte. Uno de los más interesantes es lo que ahora se conoce como electrodinámica cuántica de circuitos (Circuit QED), que consiste en usar tecnologías de circuitos integrados y superconductores para fabricar cavidades y qubits adaptados para aplicaciones en el procesado cuántico de información. Uno de los sistemas más utilizados en Circuit QED es el qubit de carga (Cooper pair box) acoplado a través de la componente eléctrica del campo a un resonador coplanar superconductor (superconducting coplanar waveguide resonator). La geometría de una guía de ondas coplanar permite aumentar la densidad de energía electromagnética (y por consiguiente el acoplo) con respecto a una cavidad tridimensional estándar. Este sistema presenta acoplo fuerte y permite la realización de operaciones sobre el qubit e incluso entrelazar múltiples qubits acoplados a la misma cavidad. Sistemas candidatos a qubits que se acoplan al campo magnético, como por ejemplo sistemas de espines de estado sólido, también son interesantes por sus posibles aplicaciones para el almacenamiento de información cuántica y para proporcionar una interconexión entre fotones de radio-frecuencias con fotones ópticos. Experimentos realizados en los últimos años demuestran la posibilidad de acoplar coherentemente centros NV y P1 de diamante con circuitos cuánticos como resonadores superconductores o qubits de flujo. Estos defectos en diamante actúan como sistemas de espín 1 y se acoplan colectivamente al circuito proporcionando un aumento en el acoplo proporcional a la raíz cuadrada de número de espines. El acoplo fuerte se consigue gracias a este factor junto con la alta coherencia de los centros magnéticos (tiempos de coherencia de 1-2 ms a temperatura ambiente). También se ha demostrado acoplo fuerte magnético, incluso a temperatura ambiente, entre radicales paramagnéticos de spin 1/2 y cavidades de microondas tridimensionales. El uso qubits de espín abre también la posibilidad a otros sistemas algo más complejos. Los "single molecule magnets" (moléculas imán ó SMMs) son moléculas organometálicas formadas por un núcleo de alto espín rodeado de ligandos orgánicos que, de forma natural, se organizan en cristales moleculares. El alto valor de su espín puede permitir que el régimen de acoplo fuerte sea más fácil de alcanzar y podría llevar a su aplicación como memorias cuánticas. Los SMMs son también interesantes por que permiten manipular químicamente sus propiedades para distintas aplicaciones. Si nos restringimos solo al campo de la información cuántica, estos sistemas pueden actuar no sólo como qubits individuales sino que se pueden diseñar para que una única molécula contenga múltiples qubits débil o fuertemente entrelazados, para actuar como puertas lógicas o como simuladores cuánticos. Muchas de las aplicaciones de SMMs más sofisticados requieren acoplar moléculas individuales al campo magnético de un resonador, un reto aún más complicado que el acoplo a cristales macroscópicos. Si este límite fuera alcanzable, se podrían utilizar circuitos supercondutores para manipular y transferir coherentemente información entre qubits de espín, proporcionando una arquitectura adecuada para implementar un procesador cuántico de espines. Si nos inspiramos en los sistemas de Circuit QED, podemos imaginar construir un sistema similar donde se colocarían moléculas individuales en las posiciones de la cavidad donde haya máximo campo magnético para el modo deseado de las microondas. Los espines podrían entonces sintonizarse individualmente utilizando campos magnéticos locales para ponerlos en resonancia con la cavidad e intercambiarían información. El principal objetivo en esta tesis, es comprobar la viabilidad de propuestas como esta y dar los primeros pasos hacia su realización. Los acoplos alcanzables en la actualidad para espines individuales son todavía demasiado bajos como para superar sus los límites impuestos por sus tiempos de coherencia. Esto nos deja con dos alternativas para mejorar el acoplo: - Encontrar sistemas de espín con mejores propiedades (tanto acoplo más fuerte como mejor coherencia) - Modificar las cavidades para aumentar el campo magnético y, por tanto, el acoplo. Teniendo esto en cuenta, los objetivos concretos de la tesis son: - Establecer que características deben tener los sistemas de espín para acoplarse fuertemente con un circuito cuántico - Estudiar las propiedades de diferentes familias de SMMs y ver si cumplen con las condiciones requeridas para el acoplo fuerte, tanto en forma de cristales moleculares como de moléculas individuales. - Diseñar nuevos resonadores de Circuit QED para concentrar el campo de microondas en regiones, optimizando así la interacción con pequeños grupos de espines o moléculas magnéticas. Explorar también si estas modificaciones cambian de forma sustancial las propiedades básicas del resonador.
Las últimas dos décadas han sido testigos de tremendos avances y desarrollos en la ciencia y tecnología de la información cuántica, debido principalmente al uso de recursos físico-cuánticos, tales como la coherencia y el entrelazamiento. La formalización del concepto de computación cuántica universal por D. Deutsch en 1985 ha madurado hacia iniciativas comerciales que apuntan a acelerar la implementación física de una computadora cuántica práctica. Hasta ahora, dicha tecnología cuántica se ha impulsado como procesadores de información que se basan principalmente en bits cuánticos (qubits) superconductores. Otros desarrollos hacen uso de los estados cuánticos de los fotones en conjunción con otros registradores cuánticos basados en electrones, átomos, moléculas, sistemas artificiales, entre otros. Aunque, para cualquier caso, las tecnologías de qubit múltiples aún están bajo intensa investigación y desarrollos en los que la temperatura y el tamaño del registrador cuántico son cuestiones esenciales. Sin embargo, toda posible implementación física de dispositivos de procesamiento de información cuántica tiene en común las propiedades fundamentales de los sistemas cuánticos: interferencia, coherencia y entrelazamiento. En esta tesis, tratamos el estudio de la coherencia cuántica y el entrelazamiento en qubits (codificados en base a la polarización) y los materiales cuánticos (que operan a temperatura ambiente) para analizar el papel de las correlaciones cuánticas y la decoherencia para fines de procesamiento de información. La investigación actual se divide en dos partes principales: la primera comienza con el análisis de la influencia de un medio birrefringente sobre el entrelazamiento de un estado de qubit fotónico. Empleamos una fibra que mantiene la polarización (PMF) como un entorno de decoherencia para probar el modelo teórico en el que la simetría del acoplamiento entre el entorno y el qubit define la muerte y reactivación de las correlaciones de información. Este hallazgo establece una herramienta para mantener el entrelazamiento independiente de la longitud de la fibra empleando las propiedades de simetría del sistema físico. Como complemento, para demostrar que el entrelazamiento no es el único factor crucial en los esquemas de información, empleamos el juego del dilema del prisionero (en un espacio de estrategia de dos parámetros y extendido hasta tres) para demostrar que las ventajas cuánticas en este protocolo son debido a la superposición cuántica en lugar del entrelazamiento del sistema físico. Aquí también presentamos una configuración experimental con fotones para verificar nuestros hallazgos con qubits fotónicos. La segunda parte de la tesis examina un nuevo nanomaterial que podría servir de puente para la interacción de fotones y electrones hacia una representación física de qubits fotónicos condicionados mediante registros externos (como electrones o iones). La primera etapa en esta dirección considera la implementación de emisores de fotones individuales. Sin embargo, antes de esto es necesario reconocer las capacidades fotofísicas de las Perovskites como estructura seleccionada. Como complemento, la novedad de esta nanoestructura nos permite dar respuestas a algunas preguntas abiertas en esta dirección de caracterización en el marco de esta investigación. Las perovskitas de MA-haluro (metilamonio-haluro) están estructuralmente formadas por pequeños dominios que van desde tamaños de nano a micrómetros y que presentan una fuerte intermitencia de fotoluminiscencia (Blinking). Atribuimos esta respuesta a la recombinación noradiativa de Auger de electrones adicionales fotogenerados en un proceso de relleno de trampas ocasionadas por defectos o móvimiento de iones. Esto lo verificamos mediante la aplicación de una capa absorbente (quencher) de cargas de PCBM (fenil-éster metílico del ácido butírico C61), lo que resultó en una disminución considerable del parpadeo. También proporcionamos una técnica novedosa para la observación en tiempo real del efecto del movimiento de iones sobre este material. Adicionalmente, este comportamiento indica condiciones adecuadas para la existencia de pocos emisores que son útiles en protocolos cuánticos y se convierten en una motivación para analizar y explicar este fenómeno. Luego, preparamos dos composiciones químicas de perovskitas inorgánicas con un alto orden estructural para explorar las condiciones necesarias para producir un emisor cuántico con este material. Visualizamos las muestras a través de microscopía electrónica, y ambos sistemas se caracterizaron espectralmente para disminuir las diluciones hasta observar la intermitencia de la emisión. Se verificó el comportamiento no clásico de la emisión empleando un interferómetro Hanbury-Brown y Twiss mediante la medición del grado de función de correlación de coherencia de segundo orden. Finalmente, pero no menos importante, la información adicional presenta los laboratorios implementados durante esta investigación doctoral y el prototipo de un dispositivo de conteo de señales para analizar las coincidencias temporales en eventos fotónicos correlacionados.