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.
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.
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.
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.
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
Neste trabalho, utilizamos uma memoria quântica formada por uma nuvem de atomos de 3 niveis para estudar a dinâmica de emissao de luz em estado de Fock contendo uma ou duas excitacoes, explicitando o carater superradiante nestes processos. Um feixe laser de escrita pode induzir transicoes nesses atomos deixando uma ou duas excitacoes coerentemente distribuidas na nuvem, armazenando informacao. Posteriormente, um feixe laser de leitura retira essas excitacoes na forma de fotons que sao emitidos de forma superradiante e num modo que depende da informacao armazenada. Com este tipo de arranjo, e possivel atestar o carater quântico da luz e garantir que uma formulacao semi-classica e inadequada para descrever o fenomeno. Como elemento principal, desenvolvemos uma teoria analitica para a interacao dos atomos com a luz, obtendo o perfil espaco-temporal da emissao e demonstrando que os fotons gerados na leitura se acoplam a um modo do campo conjugado ao utilizado durante a escrita para preparar o estado da nuvem. De acordo com a teoria, o pacote de onda de dois fotons e consistente com o perfil temporal obtido na emissao de fotons independentes e identicos ao obtido na emissao superradiante de um unico foton. Estas conclusoes sao comparadas com experimentos de armazenamento de informacao quântica por nuvens de atomos frios realizados pelo grupo de otica quântica da UFPE, em que podemos constatar uma boa concordância entre os resultados experimentais e as previsoes teoricas. Esses estudos permitiram a caracterizacao, pela primeira vez, da emissao superradiante de dois fotons por um conjunto de atomos.
Computação quântica é uma área de grande desenvolvimento hoje em dia e isso traz uma necessidade para desenvolver hardware e software. Uma vez que o hardware disponível é muito pouco e o software precisa de ser testado, existe uma necessidade de uma boa plataforma para testar as soluções de software. Simular um computador quântico num computador clássico não é ideal, contudo é uma resposta viável a esta necessidade, para um pequeno número de qubits. Além disso, os computadores quânticos necessitam dos computadores clássicos de forma a criar um sistema real prático, isto apresenta-se como uma excelente oportunidade para testar técnicas de programação clássica para melhorar a programação quântica. Esta tese propõe o uso de programação clássica para melhorar a implementação de um algoritmo de adição modular usando transformadas de Fourier quânticas. Os principais objectivos deste trabalho são: simular um circuito quântico; testar um algoritmo quântico e compará-lo com o seu equivalente clássico; implementar o algoritmo de adição modular, usando as capacidades de aceleração de computação das transformadas de Fourier quânticas e optimizá-lo; Testar e implementar códigos quânticos de correcção de erros; fazer um teste num computador quântico real.De forma a testar a linguagem e comparar um algoritmo quântico com um clássico, fez-se um teste ao algoritmo de Shor que está disponível de raiz na plataforma liquid. Apesar do algoritmo de Shor ter, teoricamente, uma dependência de tipo polinomial com a dimensão do problema, os testes realizados mostraram que o tempo de computação tem um comportamento exponencial. Simular um algoritmo quântico num computador clássico requer tempo de computação que cresce de forma exponencial, pois é necessário armazenar e processar todos os estados do sistema, que é um espaço de Hilbert de dimensão 2^n.O algoritmo de adição modular usando transformadas de Fourier quânticas foi implementado na plataforma liquid. Seguidamente fizeram-se melhorias e optimizações. O número de operações teórico é O(n^2). Contudo, depois de fazer melhorias ao circuito, removendo gates desnecessárias para casos específicos, o número de operações passa a ter um valor mínimo de Omega(n). Com este tipo de alterações o sistema pode apresentar melhorias no que respeito ao tempo de simulação até um factor de ordem 10. Isto mostra que programar um algoritmo quântico tendo em conta casos específicos pode melhorar imenso o desempenho da simulação.Os códigos de correção de erros quânticos foram implementados num circuito simples, com as ferramentas disponíveis na plataforma liquid, e obteve-se um sistema que consegue lidar com erros com probabilidade inferior ou igual a 2%, com uma taxa de sucesso na sua correção de 95%. Contudo são necessários circuitos muito grandes, pouco exequíveis.A plataforma disponibilizada pela IBM para fazer testes num computador quântico real, foi utilizada para testar o algoritmo de adição modular e adição normal (com carry bit). Uma vez que esta plataforma tem um número limitado de gates, reforça a ideia de que se deve otimizar os algoritmos tendo em conta casos particulares. Os resultados destes testes mostram também que é importante utilizar correcção de erros quânticos, mas para que isso seja viável é necessário que haja mais qubits disponíveis ou outro tipo de códigos.
A computação quântica é uma área de pesquisa recente que engloba três áreas conhecidas: matemática, física e computação. Com as pesquisas na área de algoritmos\nquânticos veio a necessidade de entender e expressar tais algoritmos do ponto de vista de programação. Diversas linguagens e modelos para programação quântica de alto nível têm sido propostas nos últimos anos. A Mecânica Quântica (MQ) é um conjunto de regras matemáticas que servem para a construção de teorias físicas, desde a sua criação até os dias de hoje ela tem sido aplicada em diversos ramos. Neste contexto se desenvolveu a Computação Quântica, talvez a mais espetacular proposta de aplicação prática da MQ. A dificuldade de se desenvolver algoritmos quânticos propicia o uso de técnicas alternativas à solução de problemas puramente algorítmica, como por exemplo o aprendizado de máquinas e algoritmos genéticos. Carlo Trugenberger propõe um modelo de memória\nquântica associativa onde os padrões binários de n bits são armazenados em superposição com um subconjunto apropriado da base computacional de n qubits. Este modelo resolve o problema de escassez de capacidade bem conhecida da memória clássica associativa,provendo uma melhoria grande em capacidade. A distribuição proposta por Trugenberger usa a distância de Hamming, em que as amplitudes tem um pico nos padrões armazenados, que tem menor distância em relação à entrada. A precisão do reconhecimento de padrões pode ser ajustado por um parâmetro b, isto é, aumentando b aumenta a probabilidade\nde reconhecimento. Este trabalho analisa a diversidade genética das abelhas sem ferrão Melipona quinquefasciata, obtidas de várias colônias silvestres, em localidades distintas\nda Chapada do Araripe-CE, Chapada da Ibiapaba-CE, cidade do Canto do Buriti-PI e Luziânia-GO. As sequências de DNA foram transformados substituindo A por 00, G por 01, C por 10 e T por 11. Os resultados mostram que essa probabilidade é muito eficiente para reconhecer os padrões de sequências de DNA das abelhas sem ferrão Melipona quinquefasciata\ndas regiões 18S e ITS1 parcial. O algoritmo não é computacionalmente eficiente em um computador clássico, mas será extremamente eficiente em um computador quântico. Concluiu-se que este método de reconhecimento quântico de padrões é melhor que o método clássico utilizado por Pereira.