O hamiltoniano de Rabi descreve a interação entre um átomo de dois níveis e um único modo de um campo eletromagnético quantizado. Neste trabalho estudamos numericamente e analiticamente a dinâmica do hamiltoniano de Rabi sujeita aos reservatórios de fase e decaimento, introduzidos na equação mestra através dos operadores de Lindblad usuais. Quando o sistema está sujeito a um reservatório de fase atômico markoviano, os termos contra-girantes no hamiltoniano de Rabi induzem uma criação de fótons a partir do vácuo a uma taxa linear. No caso em que há efeitos dissipativos, o número médio de fótons atinge um valor assintotico maior que o número médio de fótons térmicos, esperado na ausência\ndos termos contra-girantes. Revelamos a origem do fenômeno e estimamos a sua importância em situações realistas. Ainda, calculamos aproximadamente a taxa de criação de fótons quando há apenas defasagem e os valores estacionários do\nnúmero médio de fótons e da inversão atômica no caso geral.
O hamiltoniano de Rabi descreve a interação entre um átomo de dois níveis e um único modo de um campo eletromagnético quantizado. Neste trabalho estudamos numericamente e analiticamente a dinâmica do hamiltoniano de Rabi sujeita aos reservatórios de fase e decaimento, introduzidos na equação mestra através dos operadores de Lindblad usuais. Quando o sistema está sujeito a um reservatório de fase atômico markoviano, os termos contra-girantes no hamiltoniano de Rabi induzem uma criação de fótons a partir do vácuo a uma taxa linear. No caso em que há efeitos dissipativos, o número médio de fótons atinge um valor assintotico maior que o número médio de fótons térmicos, esperado na ausência\ndos termos contra-girantes. Revelamos a origem do fenômeno e estimamos a sua importância em situações realistas. Ainda, calculamos aproximadamente a taxa de criação de fótons quando há apenas defasagem e os valores estacionários do\nnúmero médio de fótons e da inversão atômica no caso geral.
O modelo de dois níveis, na aproximação de onda girante, é um modelo quântico simples e tem sido utilizado como um candidato para modelar gates de fase geométricas entre ionsqubits na magnético externo. Estes modelos de dois níveis podem ser obtidos experimentalmente através da interação de um campo magnético externo com uma particula de spin-1̸ 2 ou acoplando a matéria a um campo elétrico externo, na aproximação de dipolo elétrico. A hamiltoniana na aproximação de ondas girantes tem sido usada em computação quântica. Os principais objetivos desse trabalho foram obter os autoestados e autovalores do modelo de dois niveis para o caso geral, ou seja, sem a implementação da onda girante e posteriormente obter a dinâmica exata do modelo para a aproximação de onda girante aplicada ao campo eletrico. Foram obtidos os autoestados e autovalores do modelo para o caso geral. Para obter a dinâmica exata do modelo fermionico de dois níveis, usamos a representação do vetor físico escrito na base dos autoestados instantâneos da hamiltonia. A partir, daí, usamos a equação de Schrödinger para obter a evolução dinâmica, na forma das equações diferenciais acopladas para cada coeficiente do vetor físico. Os coeficientes obtidos para o caso de um campo elético uniforme demonstraram ser independentes do tempo, não gerando as fases de Aharonov-Anandan.
O principal proposito dessa dissertacao e estudar um novo modelo de interacao entre um atomo e um modo do campo eletromagnetico quantizado, assim como a sua aplicacao no problema de transferencia de emaranhamento entre qubits e sistemas de variaveis continuas. Inicialmente, apresentamos uma revisao do principal modelo de interacao atomo campo quantizado, conhecido como modelo de Jaynes Cummings, e tambem uma introducao ao emaranhamento, com o objetivo de estabelecer as medidas que serao utilizadas no restante do trabalho. Apos essa parte introdutoria, baseados no ja conhecido modelo Raman degenerado, propomos o modelo Raman Quase degenerado com intuito de descrever a interacao de um atomo de tres niveis na configuracao L e um modo do campo quantizado. Admitimos que o campo, no limite dispersivo, acopla os dois niveis atomicos inferiores ao estado de maior energia e este e eliminado por uma transformacao unitaria, ou por eliminacao adiabatica. Dessa forma, ele passa a desempenhar o papel de um nivel virtual que possibilita a transicao efetiva entre os dois estados de menor energia do atomo. Para chegarmos a forma final do Hamiltoniano efetivo, ainda supomos que a diferenca de energia entre os dois niveis inferiores e muito pequena se comparada a dessintonia do nivel excitado em relacao a frequencia do campo interagente. A partir das equacoes que descrevem a dinâmica do atomo interagindo com um campo coerente, investigamos a transferencia de emaranhamento de um par de atomos maximamente emaranhados para um par de cavidades preparadas inicialmente no estado puro e separavel de campo coerente. Naturalmente, tambem consideramos a transferencia no sentido contrario, campo atomo. Os resultados obtidos mostram que e possivel a transferencia completa nas duas situacoes. O ultimo assunto abordado nessa dissertacao foram os estados coerentes emaranhados do tipo cluster. Propomos um esquema para a geracao desse tipo de estado entre quatro cavidades separadas espacialmente utilizando apenas um atomo e duas zonas de Ramsey e tambem estudamos a influencia da dissipacao de energia
Abstract
Fazendo uso da equivalência entre um potencial não-local e um potencial dependente da velocidade, mostramos como construir um potencial não-local capaz de gerar estados comprimidos. No contexto do modelo de Jaynes-Cummings que descreve a interação quântica de um único átomo de dois níveis com um único modo do campo eletromagnético quantizado, mostrando uma nova característica no comportamento dinâmico da inversão atômica, quando o campo é preparado em um estado coerente comprimido par. Usando o modelo de Jaynes-Cummings propomos um método para estudar o estado quântico e a variância do operador de fase, através da medida da distribuição de momento de átomos espalhados, proveniente da interação de um feixe atômico com um único modo do campo eletromagnético via interação de dois fótons.
Estamos interessados em entender o processo de termalização em sistemas quânticos markovianos, quando temos um ou dois qubits interagindo com um modo quântico do campo eletromagnético, utilizando o modelo de Rabi, em situações onde há interação com estruturas de reservatório que modelam o ambiente que cerca o sistema. Essa análise da termalização é baseada no cálculo dos autovalores do liouvilliano da equação mestra markoviana. Iremos focar principalmente nas situações onde há interação com reservatórios independentes e coletivos, para casos onde o subsistema interage com reservatórios a T=0K e T >0K. Investigamos situações onde há termalização ou não do sistema e como esse fator pode influenciar nas propriedades físicas interessantes, como, por exemplo, a estatística de detecção de fótons no regime ultra forte utilizando a teoria de entrada e saída e correlações quânticas entre os qubits interagindo com reservatórios markovianos.
Neste trabalho, consideramos a arquitetura de Eletrodinâmica Quântica de Circuitos (EDQc), onde um átomo artificial de dois níveis interage com um único modo do campo eletromagnético quantizado confinado em um ressonador guia-de-onda sobre um chip supercondutor.Devido ao ambiente de alto controle em que a EDQc é formulada, consideramos modulações temporais periódicas de um ou mais parâmetros do sistema, impostas por um agente externo, caracterizando um sistema de EDQc não-estacionário.Um Hamiltoniano efetivo foi obtido para descrever a dinâmica do sistema e, de maneira mais intuitiva, caracterizar o efeito físico a ser tratado de acordo com a frequência de modulação imposta.Também descrevemos a dinâmica para modulações simultâneas e multifrequências.Entre os efeitos estudados estão os já conhecidos efeito Casimir dinâmico (ECD) e o comportamento anti-Jaynes-Cummings (AJC).Além desses efeitos, discutimos o regime anti-efeito Casimir dinâmico (AECD), que foi apresentado recentemente.Em seguida, propomos duas abordagens para estudarmos os efeitos da dissipação Markoviana nas transições induzidas por modulação usando os estados vestidos da interação átomo-campo.A primeira abordagem foi através da equação mestra padrão da óptica quântica, e a segunda abordagem foi através da equação mestra na representação vestida, que foi recentemente apresentada.Nós analisamos como os diferentes canais dissipativos afetam a dinâmica do sistema e averiguamos a possibilidade de implementação dos fenômenos físicos estudados na arquitetura de EDQc.
Nesta tese estudamos o comportamento da Discórdia Quântica nos contextos de sistemas quânticos abertos e cadeias de spins. Além disso, investigamos também o processo de termalização de uma cadeia de spins sujeita a interação com o meio-ambiente. Primeiramente, apresentamos uma revisão do conceito de correlação quântica, partindo das ideias iniciais sobre não-localidade e tendo como ponto final a medida de correlações quânticas denominada Discórdia Quântica. Posteriormente, estudamos a dinâmica das correlações quânticas entre dois qubits não-interagentes acoplados a reservatórios térmicos markovianos e não-markovianos. No contexto de cadeias de spins, investigamos o comportamento das correlações quânticas a temperaturas finitas, começando com um sistema formado por dois spins interagentes, descrito pelo modelo XYZ para, em seguida, generalizar este estudo para o caso de cadeias de spins unidimensionais infinitas, descritas pelos modelos XY e XXZ. Neste contexto, investigamos a relação entre as correlações quânticas e as transições de fase quânticas presentes nestes dois modelos. Finalizamos esta tese com um estudo sobre o processo de termalização de dois spins interagentes fracamente acoplados a reservatórios térmicos bosônicos independentes ou um único reservatório coletivo, além de apresentar alguns resultados referentes a sistemas maiores, formados por um número arbitrário de spins.