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.
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.
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
Nesta tese, apresentamos dois resultados para a geracao de emaranhamento, ambos envolvendo a interacao entre atomos e radiacao. Na primeira parte, propomos um esquema para geracao de estados emaranhados envolvendo os estados eletronicos de dois ions separados espacialmente, cada qual aprisionado em uma cavidade. Um atomo propagante, que cruza essas cavidades, e responsavel pela geracao de estados emaranhados do tipo Bell entre os dois ions. Mostramos que para tempos especificos de interacao, a geracao dos estados emaranhados e nao-probabilistica. Propostas de atomo e ions, candidatos a implementacao do esquema experimental, tambem sao apresentadas.
Ja segunda parte deste trabalho, investigamos um modelo para a interacao de dois campos quânticos ortogonalmente polarizados com uma nuvem de atomos de quatro niveis do tipo-X. Consideramos, para nosso esquema, situacoes fisicas onde os atomos funcionam efetivamente como sendo de dois niveis. Assim, dentro de uma aproximacao linearizada do campo, nosso Hamiltoniano efetivo bilinear, que representa a interacao atomos-campo, passa a depender da diferenca de populacao entre os dois niveis do ensemble de atomos. Apos uma medida condicionada nos atomos, mostramos que os dois modos do campo ficam em estados emaranhados nao-Gaussianos, diferentemente do que foi considerado em alguns trabalhos recentes na literatura que abordamos. Como a compressao abaixo do limite de ruido na polarizacao linear pode ser usada como indicadora de emaranhamento na polarizacao circular, nos podemos usar a variância das quadraturas, combinada com o criterio de inseparabilidade para variaveis continuas, para complementar o nosso estudo sobre o esquema experimental.
Abstract
Nesta dissertacao lidamos com o problema da transformacao de estados de polarizacao de um ou dois fotons por meios que podem ser classicamente descritos por matrizes de Mueller. Em especial tratamos de como as propriedades de despolarizacao de meios espalhadores levam a reducao do emaranhamento e ao aumento do grau de mistura de estados emaranhados da luz. Evidenciamos como o isomorfismo entre o estado de polarizacao de uma onda plana e sistemas quânticos de dois niveis (qubits) leva a um intercâmbio de ferramentas matematicas uteis para descrever as transformacoes nesses estados. Deduzimos uma expressao que nos permite calcular como o estado de dois fotons provenientes de um processo de conversao parametrica descendente espontânea e transformado por elementos com birrefringencia variavel. Estudamos o problema da simulacao do espalhamento de luz por meios diversos por sorteio aleatorio de matrizes de Mueller e mostramos a influencia do criterio de sorteio nos resultados. Em algumas partes fomos tambem capazes de comparar dados experimentais divulgados na literatura com uma serie de simulacoes numericas realizadas.
Resumo: Neste trabalho, apresentamos uma proposta para geração de emaranhamento entre três átomos localizados em duas cavidades espacialmente separadas, através da transferência de emaranhamento das variáveis contínuas do campo comprimido de dois modos Um par de átomos A1 e A2, preparados em um estado separável ou emaranhado, interage com um único modo do campo comprimido de dois modos na cavidade 1, enquanto o átomo B interage com o segundo modo do campo na cavidade 2 Expressões analíticas foram obtidas para o estado do sistema composto, estado do campo e estado dos átomos em função do parâmetro de interação e parâmetro de compressão, considerando diferentes estados iniciais do campo e dos átomos, localizados na cavidade de Alice Nós analisamos numericamente a geração, morte súbita, e renascimento de emaranhamento dos três átomos, como função do estado inicial dos átomos A 1 e A2 e parâmetro de compressão do campo eletromagnético Como o campo nas cavidades possui infinitos graus de liberdade, utilizamos função Q e o número médio de fótons, para uma análise qualitativa do emaranhamento dos modos campo nas cavidades distintas Aproximamos o estado comprimido do campo por um estado número dos fótons, que produz uma dinâmica de emaranhamento similar a do sistema proposto Com esta aproximação pode-se calcular a negatividade global do campo e verificar a transferência de emaranhamento dos modos do campo para os átomos nas cavidades espacialmente separadas O estado dos átomos apresenta emaranhamento tipo W, que pode ser utilizado em protocolos de comunicação quântica Um estado emaranhado puro de três átomos pode ser obtido com alta probabilidade, através de uma medida sobre o estado do campo nas cavidades Usando um protocolo simples, onde utilizamos um qubit auxiliar na cavidade 2, podemos destilar um estado W, a partir do estado tipo W fornecido pelo sistema A probabilidade de destilação depende do emaranhamento do estado tipo W Deste modo podemos utilizar o estado emaranhado de três átomos espacialmente separados em protocolos de comunicação quântica e teletransporte determinísticos
Nós estudamos como proteger informação quântica em sistemas quânticos sujeitos a dissipação local. Nós mostramos que combinando o uso de sistemas de três níveis, monitoramento do ambiente e realimentação local baseada na informação adquirida no monitoramento, podemos deterministicamente e completamente proteger qualquer informação quântica disponível, incluindo emaranhamento inicialmente dividido por diferentes partes. Estes resultados podem representar um ganho em recursos e ou distância em protocolos de comunicação como repetidores quânticos e teleportação assim como tempo em memórias quânticas. Mostramos também que o monitoramento local de ambientes fornece uma implementação física do protocolo ótimo de conversão de estados emaranhados. Utilizando o mesmo formalismo, mostramos também a transição de uma interação inteiramente quantizada para uma semiclássica em sistemas quânticos com número baixo de excitações. Em particular, simulamos as zonas de Ramsey de microondas utilizadas em interferometria de átomos de Rydberg, preenchendo a lacuna entre a evolução Jaynes-Cummings fortemente emaranhadora e a rotação semiclássica dos estados internos do átomo. Nós também relacionamos a informação que flui com os fótons que escapam da cavidade à geração de emaranhamento entre campo da cavidade e átomo, e detalhamos os papeis ocupados pela forte dissipação e pelo bombeamento externo na preservação da coerência atômica ao longo da interação. Mostramos que no limite clássico a informação contida nos fótons tende a zero e que a vasta gama de possibilidades quânticas desaparece de tal forma que o sistema segue sempre uma única trajetória, a trajetória clássica, e além disso múltiplos observadores registram o mesmo movimento clássico.
A reconstrucão de frentes de onda _e um problema que aparece em muitas áreas da física e da engenharia, e resulta em muitas aplicações importantes. Cristalografia de raios-x, microscopia eletrônica, caracterização temporal de lasers de femtosegundo, deconvolução cega de imagens degradadas e imageamento tomográfico são exemplos de áreas que, quando não envolvendo diretamente a reconstrução de uma frente de onda, se beneficiaram das técnicas desenvolvidas para resolver este problema. Em geral, os dispositivos de medição são capazes de obter as intensidades da frente de onda, mas não suas fases; as ferramentas num_ericas utilizadas para recuperá-las ficaram, portanto conhecidas como algoritmos de recuperação de fase. Neste trabalho, nós propusemos o uso desses algoritmos para reconstruir estados quânticos puros codificados em modos espaciais transversais de fótons { individuais os chamados qudits espaciais. Nós fizemos adaptações significativas aos algoritmos encontrados na literatura, de modo a adequá-los às características experimentais desse tipo de codificação. A mais eminente dessas adaptações foi magnificar as amplitudes no plano de Fourier, de forma a compensar o pequeno intervalo de frequências medidas. Isso resultou em uma grande melhora na qualidade dos resultados. Para demonstrar essa técnica, nós realizamos um experimento de prova de princípio com um feixe _óptico que mimetizava estados de qudits espaciais com dimensões D = 2; 3; 4; 7 e 9. Depois de compensados certos desvios experimentais, os estados recuperados apresentaram fidelidades frequentemente acima de 99% com relação ao estado que se desejava preparar, mostrando que os algoritmos de recuperação de fase podem ser uma boa ferramenta para a caracterização de estados quânticos.