Características quânticas intrínsecas podem ser observadas em experimentos simples, como por exemplo, na difração de pacotes gaussianos. A evolução livre desses estados contém um tempo intrínseco característico do estado inicial t0 = mc02/h que está fundamentalmente relacionado com características de "velocidade" de alargamento do pacote. Usando a saturação do determinante da matriz de covariância de Schrödinger para evoluções quadráticas mostramos que a partir da análise de experimentos de fenda única que determinam as incertezas em posição e momento, e , é possível obter correlações não locais tais como sigma xp = < xp+px > Este objeto está diretamente relacionado com o tempo característico t0. Observando ainda, a perfeita analogia entre a equação de Schrödinger e a equação resultante da aproximação paramétrica à equação de Helmholtz para a luz clássica, mostramos que para feixes gaussianos, o comprimento de Rayleigh, tem exatamente o papel de t0 na evolução da partícula livre e também está relacionado à medida de correlação entre posição e momento do pacote gaussiano e sua transformada de Fourier. A medida dessas correlações entre x e p no caso de partículas foi por nós inferida a partir de um experimento de difração de macromoléculas em uma fenda. No caso da luz, obtivemos o resultado a partir de uma experiência simples em nossos laboratórios de Óptica Quântica.
Características quânticas intrínsecas podem ser observadas em experimentos simples, como por exemplo, na difração de pacotes gaussianos. A evolução livre desses estados contém um tempo intrínseco característico do estado inicial t0 = mc02/h que está fundamentalmente relacionado com características de "velocidade" de alargamento do pacote. Usando a saturação do determinante da matriz de covariância de Schrödinger para evoluções quadráticas mostramos que a partir da análise de experimentos de fenda única que determinam as incertezas em posição e momento, e , é possível obter correlações não locais tais como sigma xp = < xp+px > Este objeto está diretamente relacionado com o tempo característico t0. Observando ainda, a perfeita analogia entre a equação de Schrödinger e a equação resultante da aproximação paramétrica à equação de Helmholtz para a luz clássica, mostramos que para feixes gaussianos, o comprimento de Rayleigh, tem exatamente o papel de t0 na evolução da partícula livre e também está relacionado à medida de correlação entre posição e momento do pacote gaussiano e sua transformada de Fourier. A medida dessas correlações entre x e p no caso de partículas foi por nós inferida a partir de um experimento de difração de macromoléculas em uma fenda. No caso da luz, obtivemos o resultado a partir de uma experiência simples em nossos laboratórios de Óptica Quântica.
Na presente tese, estudamos o oscilador harmonico generalizado com massa e frequencia
dependentes do tempo e submetido a uma forca de friccao linear na velocidade cujo coeficiente de friccao depende do tempo, do ponto de vista classico e quântico. Obtivemos as
solucoes da equacao de movimento classica deste sistema para alguns casos particulares e
derivamos uma equacao de movimento que descreve simultaneamente tres sistemas diferentes.
Em seguida, com a ajuda dos operadores invariantes quadraticos e a luz do metodo
de invariantes dinâmicos encontramos as solucoes exatas da equacao de Schrodinger para
este sistema. Tambem derivamos as fases geometrica, dinâmica e de Berry para este
sistema nao-estacionario e as avaliamos para tres casos especiais. Ainda construimos estados
coerentes para este sistema quantizado e os empregamos para investigar algumas
propriedades quânticas tais como
utuacoes quânticas da coordenada e momento bem
como do produto das incertezas. Em seguida, utilizamos um operador invariante linear
e usamos o metodo de invariantes dinâmicos para encontrar solucoes exatas da equacao
de Schrodinger para um oscilador harmonico amortecido e forcado dependente do tempo.
Com as solucoes desta equacao, construimos solucoes na forma de pacotes de onda Gaussianos
assim como calculamos as
utuacoes quânticas das coordenadas e momentos, bem
como as correlacoes entre ambos. Finalmente, mostramos que a largura das
utuacoes e
correlacoes do pacote Gaussiano nao dependem da forca externa.
Estudamos estados Gaussianos quânticos e as propriedades fisicas associadas a operacoes sobre tal classe de estados que preservam a sua natureza Gaussiana. Propriedades gerais de matrizes de covariância globais representando estados Gaussianos bipartidos de dois modos podem ser decompostas em propriedades de matrizes de covariância locais e seus complementos de Schur. Demonstramos que dado um estado Gaussiano de dois modos r12 descrito por uma matriz de covariância V 4 × 4, o complemento de Schur de uma submatriz de covariância local V2 2 × 2 pode ser interpretado como uma nova matriz de covariância representando um operador Gaussiano do modo 1 condicionado a medicoes de paridade no modo 2. Como o valor medio da paridade esta relacionado com a determinacao da funcao de Wigner de um estado na origem do espaco de fase, que pode ser obtido facilmente atraves de experimentos de fotocontagem, este resultado nos permite estudar propriedades desta funcao em termos das probabilidades de medicoes pares e impares no modo local. Tambem generalizamos este procedimento para um estado Gaussiano de n modos e demonstramos que o operador dos n - 1 sistemas condicionado a projecoes parciais de paridade esta relacionado com uma matriz de covariância tal que seus elementos bloco 2 × 2 sao complementos de Schur de matrizes especiais locais.
A determinacao da relacao entre uma estrutura matematica (o complemento de Schur) com um processo fisico permitiram a construcao de um protocolo para a identificacao de propriedades de emaranhamento de um estado Gaussiano de dois modos via apenas medicoes/operacoes locais e um canal de comunicacao classica entre as duas partes. Este protocolo se baseia na obtencao dos quatro invariantes simpleticos locais do grupo Sp(2, R) que determinam as propriedades de emaranhamento e de pureza do sistema Gaussiano de dois modos. Alem disso, para uma classe de estados Gaussianos simetricos, que inclui por exemplo o estado comprimido com ruido termico e o estado EPR, este protocolo tambem e util para a reconstrucao de sua matriz de covariância
Abstract
Nesta dissertação, investigamos a informação mútua de Shannon para um campo escalar quântico sem massa livre em d + 1 dimensões, focando nas correlações entre duas regiões espaciais complementares. Nossa abordagem central envolveu o cálculo dessa medida de informação clássica diretamente dos elementos diagonais da matriz densidade expressa na base de configuração do campo. Essa metodologia forneceu um arcabouço para quantificar as correlações clássicas que persistem ou emergem após processos de decoerência quântica ou medição, que efetivamente diagonalizam a matriz densidade do sistema. Empregamos o formalismo funcional da representação de Schrödinger para calcular as entropias de Shannon associadas às regiões complementares, a partir das quais derivamos a informação mútua. Para lidar com as integrais funcionais, utilizamos tanto a aproximação de ponto de sela quanto o truque das réplicas. Computamos a informação mútua de Shannon para dois casos: o estado de vácuo e estados de partícula-única localizados. Para o estado de vácuo, nossos resultados reproduziram aqueles encontrados na literatura existente. Para estados localizados, descritos por soluções de pacote de ondas da equação de Schrödinger relativística, a informação mútua de Shannon pode ser expressa como a informação mútua do vácuo mais termos dependentes do perfil do pacote de ondas. Como uma aplicação do formalismo desenvolvido, calculamos a informação mútua de Rényi-2 (também conhecida como entropia de colisão) em uma dimensão espacial, considerando regiões definidas como semirretas e empregando um pacote de ondas lorentziano. Encontramos que a presença de uma excitação geralmente aumenta a informação compartilhada em comparação com o caso do vácuo. Esse excesso de informação é maximizado quando a partícula está localizada próximo à fronteira e diminui à medida que a partícula se afasta, com a taxa de decaimento dependendo da largura do pacote de ondas. No geral, nossas descobertas contribuem para a compreensão das correlações clássicas em teoria quântica de campos e oferecem uma perspectiva sobre o conteúdo de informação que é diretamente relevante para cenários envolvendo decoerência e medição. Este trabalho fornece um ponto de vista complementar aos cálculos tradicionais de entropia de emaranhamento, concentrando-se na informação clássica acessível codificada nas probabilidades de configuração do campo.
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.
Neste trabalho analisamos a dinâmica das correlacoes quânticas em um sistema composto por dois osciladores harmonicos em contato com um mesmo reservatorio termico e acoplados entre si com um acoplamento dependente do tempo. O reservatorio termico modelado de acordo com o modelo de Caldeira-Leggett e tanto a abordagem via integrais de caminho quanto a abordagem via equacoes mestras sao usadas para estudar o sistema nos regimes Markoviano e nao-Markoviano. O Hamiltoniano que descreve o sistema e bilinear nos operadores de campo, isto significa que se repararmos o sistema em um estado Gaussiano, o estado do sistema sera sempre Gaussiano. Para um estado Gaussiano toda a informa ¸ao sobre as correlacoes quânticas esta contida na matriz de covariância s. Conhecida a matriz s podemos medir o emaranhamento usando a negatividade Logaritmica e calcular uma aproximacao para a discordia quântica em estados Gaussianos, que e a discordia Gaussiana. Nos mostramos que mesmo a temperaturas muito altas as correlacoes quânticas, inclusive o emaranhamento, persistem. Esta persistencia tem uma relacao estreita com a estabilidade do sistema. Como as correlacoes quânticas sao a principal assinatura da mecânica quântica, isto sugere que este tipo particular de acoplamento entre os osciladores pode reduzir a descoerencia, introduzida pela interacao com o reservatorio termico
Abstract
Nós propusemos um novo método para reconstruir estados quânticos, chamado pticografia quântica. Esse método se baseia em uma analogia com a pticografia, um método de reconstrução de fase na óptica clássica. A principal vantagem da pticografia quântica, quando comparada a outros métodos de reconstrução de estado, é sua simplicidade experimental: ela usa medidas em uma única base, ao passo que projetores intermediários são usados para se conseguir a diversidade de dados necessária; por outro lado, os métodos usuais requerem medidas em diversas bases diferentes. Ao não usar diversas bases, a pticografia quântica permite que as montagens experimentais sejam mais simples. Essa maior simplicidade pode ser especialmente valiosa no contexto de escassez material, tal qual a ciência brasileira vem enfrentando nos últimos anos. A pticografia quântica também é flexı́vel com respeito aos projetores intermediários, o que permite ao experimentador ajustá-la às suas necessidades. Nós estudamos esse método a fundo no contexto da reconstrução de estados puros. Nós mostramos a sua equivalência a uma busca por gradientes alternados, o que permite um entendimento matemático do seu funcionamento. Fizemos simulações numéricas de suas reconstruções, usando nı́veis realistas de ruı́do, e mostramos que suas reconstruções são excelentes. Também fizemos um experimento com qudits de fenda para averiguar a sua performance, e novamente obtivemos resultados muito satisfatórios. Assim como a pticografia clássica, a pticografia quântica é passı́vel de diversos avanços. Nós também a generalizamos para estados mistos e obtivemos resultados prelimi- nares encorajadores. Com esse e outros desenvolvimentos, nós esperamos que a pticografia quântica possa se tornar uma ferramenta útil na informação quântica.