A evolucao teorica e experimental que se deu na area de computacao e informacao quântica nas ultimas decadas torna a realizacao de um computador quântico cada vez mais factivel. Porem, o controle necessario sobre a dinâmica dos estados do sistema quântico utilizado para implementar este computador e fortemente limitado pela descoerencia gerada pela interacao deste sistema com o meio ambiente. A descoerencia pode ser evitada, entre outras maneiras, atraves da existencia de um subespaco livre de descoerencia. Alem disso, e possivel fazer com que o efeito da descoerencia seja levar o sistema para um estado desejado, atraves da aplicacao da tecnica de engenharia de reservatorios. Neste trabalho apresenta-se as condicoes que devem ser satisfeitas para a existencia de um subespaco livre de descoerencia e a condicao para que um estado seja protegido contra descoerencia no contexto da tecnica de engenharia de reservatorios. Considerando um sistema formado por dois pontos quânticos acoplados por tunelamento, sob a acao de um campo laser, mostra-se a protecao de um estado de exciton indireto, pertencente a um subespaco livre de descoerencia de dimensao 2. O estado protegido pode ser descrito pelos parâmetros do laser, portanto, a geracao de qualquer estado representavel na superficie da esfera de Bloch pode ser alcancada atraves da manipulacao da amplitude e da fase do campo laser. A implementacao do algoritmo de Deutsch e proposta, tomando-se proveito do fato de que a protecao do estado corresponde a realizacao parcial deste algoritmo, necessitando-se apenas a execucao da medida para a integralizacao do mesmo.%%%%The theoretical and experimental developments that took place in quantum computing and quantum information in recent decades make the realization of a quantum computer more and more feasible. However, the necessary control over the dynamics of quantum states of the system, used to implement this computer, is strongly limited by decoherence generated by the interaction of this system with the environment. Decoherence can be avoided, among other ways, through the existence of a decoherence-free subspace. Further- more, it is possible to make the eect of decoherence take the system to a desired state, by applying the reservoir engineering technique. This work presents the conditions for the existence of a decoherence-free subspace and the condition for a state to be protected from decoherence in the context of the reservoir engineering technique. Considering a system consisting of two quantum dots coupled by tunneling under the action of a laser field, it is shown the protection of an indirect exciton state, belonging to a decoherence-free sub- space of dimension 2. The protected state can be described by the parameters of the laser, therefore, the generation of any state that can be represented on the surface of the Bloch sphere can be achieved through the manipulation of amplitude and phase of the laser field. Implementation of the Deutsch algorithm is proposed, taking advantage of the fact that the protection of the…
A evolucao teorica e experimental que se deu na area de computacao e informacao quântica nas ultimas decadas torna a realizacao de um computador quântico cada vez mais factivel. Porem, o controle necessario sobre a dinâmica dos estados do sistema quântico utilizado para implementar este computador e fortemente limitado pela descoerencia gerada pela interacao deste sistema com o meio ambiente. A descoerencia pode ser evitada, entre outras maneiras, atraves da existencia de um subespaco livre de descoerencia. Alem disso, e possivel fazer com que o efeito da descoerencia seja levar o sistema para um estado desejado, atraves da aplicacao da tecnica de engenharia de reservatorios. Neste trabalho apresenta-se as condicoes que devem ser satisfeitas para a existencia de um subespaco livre de descoerencia e a condicao para que um estado seja protegido contra descoerencia no contexto da tecnica de engenharia de reservatorios. Considerando um sistema formado por dois pontos quânticos acoplados por tunelamento, sob a acao de um campo laser, mostra-se a protecao de um estado de exciton indireto, pertencente a um subespaco livre de descoerencia de dimensao 2. O estado protegido pode ser descrito pelos parâmetros do laser, portanto, a geracao de qualquer estado representavel na superficie da esfera de Bloch pode ser alcancada atraves da manipulacao da amplitude e da fase do campo laser. A implementacao do algoritmo de Deutsch e proposta, tomando-se proveito do fato de que a protecao do estado corresponde a realizacao parcial deste algoritmo, necessitando-se apenas a execucao da medida para a integralizacao do mesmo.%%%%The theoretical and experimental developments that took place in quantum computing and quantum information in recent decades make the realization of a quantum computer more and more feasible. However, the necessary control over the dynamics of quantum states of the system, used to implement this computer, is strongly limited by decoherence generated by the interaction of this system with the environment. Decoherence can be avoided, among other ways, through the existence of a decoherence-free subspace. Further- more, it is possible to make the eect of decoherence take the system to a desired state, by applying the reservoir engineering technique. This work presents the conditions for the existence of a decoherence-free subspace and the condition for a state to be protected from decoherence in the context of the reservoir engineering technique. Considering a system consisting of two quantum dots coupled by tunneling under the action of a laser field, it is shown the protection of an indirect exciton state, belonging to a decoherence-free sub- space of dimension 2. The protected state can be described by the parameters of the laser, therefore, the generation of any state that can be represented on the surface of the Bloch sphere can be achieved through the manipulation of amplitude and phase of the laser field. Implementation of the Deutsch algorithm is proposed, taking advantage of the fact that the protection of the…
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 geração e proteção de estados quânticos é fundamental para a mecânica quântica. Usualmente, utilizam-se protocolos de engenharia de estados baseados na aplicação sucessiva de transformações unitárias, cuja performance se torna menos efetiva conforme aumenta-se o número de componentes envolvidos nas transformações (já que transformações unitárias dependem de um elevado número de operações ou transformações com alto grau de fidelidade), além de tornarem-se mais vulneráveis a efeitos de flutuações de parâmetros experimentais, efeitos de desordem, decoerência e ruído. Dentre as possíveis estratégias para gerar estados quânticos, existe a chamada engenharia de interações quânticas, na qual pode-se tanto estudar como alterar a maneira a partir da qual sistemas interagem entre si para produzir um determinado estado estacionário desejado, quanto para investigar propriedades dos estados gerados ao se alterar alguma característica de tal interação. Neste trabalho apresentaremos duas propostas para gerar estados não-clássicos via engenharia de reservatórios (engenharia dissipativa) em dois tipos de sistemas distintos. No primeiro, utilizaremos um sistema optomecânico no qual efetua-se engenharia de dissipação a fim de obter hamiltonianos seletivos com os quais é possível preparar-se estados de Fock sob efeitos dissipativos, no qual mostramos o caráter não clássico dos estados obtidos nos regimes de cavidade altos e baixos fatores de qualidade. No segundo, utilizaremos um sistema de spins na qual podemos obter estados não-clássicos (emaranhados) para um sistema com o número de partículas (N) entre 2 e 12 via engenharia de interações quânticas com caráter coletivo, para obter diversos estados, considerando efeitos dissipativos como dissipações térmicas e defasagem, além de considerar a robustez com relação a flutuações em alguns parâmetros experimentais do modelo.
Desde a primeira vez que computação quântica foi concetualizada por Feynman, simulação quântica tem estado na vanguarda das possiveis aplicações de interesse. Os custos proibitivos de simular sistemas quânticos com computadores classicos são uma forte motivação para a investigação em computação quântica. Ao longo da última década, tem-se observado um progresso notável no desenvolvimento de hardware quantico. No entanto, os obstáculos entre nos e a era de vantagem quantica util mantem-se essencialmente os mesmos: A informação quântica e fragil, e protegê-la é um desafio. Visto que os dispositivos quânticos atuais são ruidosos e tem um número limitado de qubits, desenvolver algoritmos que possam ser executados neles e uma area de investigação importante. Por resultarem em circuitos de preparação de estado (ansatze) pouco profundos e treinaveis, algoritmos quânticos variacionais (VQAs) adaptativos são uma opção promissora. O primeiro algoritmo nesta classe, o ADAPT-VQE, pode ser utilizado para problemas de estrutura eletronica, otimização combinatoria, materia condensada, sistemas periódicos no tempo, entre outros. Nesta tese, são propostas varias melhorias para VQAs adaptativos, com o objetivo de diminuir os custos e aumentar a viabilidade a curto prazo. Propõe-se um otimizador quasi-Newton para VQAs adaptativos que reduz os custos de medição necessários para implementar estes algoritmos em hardware quântico, bem como o tempo necessario para os simular classicamente. Propõe-se ainda um novo conjunto de operadores — “operatores de intercambio acoplado” (CEOs) — que resulta no menor numero de portas quanticas e na menor profundidade de circuito entre todas as propostas na literatura. Combina-se varios desenvolvimentos-chave e mostra-se uma redução dramatica dos recursos computacionais quânticos necessários em comparação com as primeiras versões do algoritmo ou com ansätze estáticos para VQE. Adicionalmente, propõe-se uma versão codesenhada do ADAPT-VQE (Co-ADAPT-VQE) onde o hardware quântico e tido em consideração na construção do ansatz. Este paradigma pode ser utilizado para otimizar circuitos de preparação de estado em qualquer dispositivo, colmatando limitações como conetividade limitada, tempos de coerencia curtos, e erros nas portas quanticas. Finalmente, propomos estrategia para mitigar “vales de gradientes”, um problema de convergência especifico ao ADAPT-VQE.
O processamento de informação quântica requer medidas, muitas vezes precedidas devoluções unitárias. Uma descrição realista de um computador quântico também deve levar em conta que o sistema interage com um ambiente externo - distinto do observador - que o remove de sua evolução ideal, gerando erros. Neste trabalho, fazemos um estudo da dinâmica de sistemas quânticos observados múltiplas vezes ou continuamente, enquanto interagem com ambientes externos. Para tanto, empregamos uma equação mestra híbrida, que permite modelar uma interação contínua e markoviana do sistema com o medidor, enquanto o ruído do ambiente apresenta características não markovianas. O estudo da dinâmica de uma medida contínua ruidosa revela que o sistema melhor preserva suas populações iniciais quando é realizada a medida de uma observável que não comuta com os operadores do ruído produzido pelo ambiente. Estes resultados, já conhecidos para o caso simples de um qubit de memória interagindo com o vácuo, são generalizados para uma temperatura inicial superior a zero e para um qubit submetido a uma porta quântica. A universalidade destes fenômenos de preservação da população inicial permite fazer analogia com o efeito Zenão quântico. Mantendo o mesmo formalismo, mas adaptando a interação com o ambiente para descrever um decaimento verificamos que o efeito Zenão quântico é observado para acoplamentos fracos com o ambiente. Tratamos também de como tal conhecimento sobre a preservação das populações pela medida auxilia na elaboração de melhores formas de preservar a informação em códigos quânticos. Com o auxílio da teoria das medidas fracas, propomos um possível método experimental simples para o teste da validade dos modelos de descrição de medidas contínuas. Com este estudo da dinâmica de uma medida quântica, esperamos elucidar questões de ordem prática no processamento de informação quântica, assim como ajudar no melhor entendimento de questões fundamentais, como o postulado da medida.
Algoritmos baseadas no controle de estados quânticos, ou simplesmentealgoritmos quânticos, oferecem um ganho exponencial de eficiência em relação àalgoritmos clássicos equivalentes. No entanto, a implementação experimental destesalgoritmos esbarra em um grande obstáculo: a descoerência. Resultante da interação dosistema de interesse com o ambiente externo, a descoerência dificulta o controle deestados quânticos e a realização das operações que compõem os algoritmos. Adescoerência leva os estados a perderem gradualmente seu caráter quântico e,consequentemente, sua utilidade em computação quântica fica comprometida. Paracompreender a descoerência, diversos modelos têm sido propostos. O mais geral requera análise da interação entre o sistema e o ambiente, mas existem outros modelos de maisfácil implementação, como os modelos de operadores-soma. Neste trabalho, utilizamoso método de operador-soma para estudar descoerência em caminhadas quânticas sobregrafos, buscando compreender os efeitos da descoerência sobre a distribuição deprobabilidade e, consequentemente, sobre a eficiência de algoritmos quânticos baseadosem caminhadas quânticas (SHENVI, 2003).Neste trabalho, o objetivo principal é analisar os efeitos da descoerência emcaminhadas quânticas sobre grafos. Com este estudo, poderemos analisar diretamente oefeito da descoerência sobre a eficiência de algoritmos quânticos baseados emcaminhadas quânticas.
Neste trabalho, descrevemos vários protocolos para a geração de estados estacionários não clássicos, suportados principalmente pela engenharia de hamiltonianos seletivos Jaynes-Cummings, e de reservatórios atômicos.Começamos apresentando um protocolo para engenhar interações seletivas lineares e não lineares do tipo Jaynes-Cummings como também simulações numéricas para comprovar a eficácia de nosso esquema.Analisamos também como aplicar essas interações seletivas à preparação e proteção de estados de Fock estacionários via reservatório atômico.Esta estratégia combina a ação dos mecanismo de amortecimento da cavidade com os de um reservatório atômico engenhado para conduzir uma distribuição térmica inicial a um estado de Fock estacionário.A mesma técnica pode ser utilizada para fatiar as distribuições de probabilidade no espaço de Fock, permitindo assim a preparação de uma variedade de estados de equilíbrio não clássicos.Também apresentamos um protocolo para a engenharia de interações upper-bound e sliced Jaynes-Cummings e anti-Jaynes-Cummings na eletrodinâmica quântica de cavidade.No Hamiltoniano upper-bound, a interação átomo-campo está confinada a um subespaço de Fock com estados que vão desde |0 até |4 enquanto que no Hamiltoniano sliced vão desde |M até |M + 4 .Mostramos como construir Liouvillianos upper-bound independentemente da engenharia do Hamiltoniano upper-bound.Os Hamiltonianos e Liouvillianos upper-bound e sliced podem ser usados, entre outras aplicações, para gerar estados de Fock estacionários no modo da cavidade e para a implementação de um dispositivo de tesoura quântica para truncagem de estado óptico.Finalmente, propomos um esquema para a preparação de estados emaranhados estacionários em redes bosônicas dissipativas.Descrevemos a sua aplicação em um sistema de cavidades acopladas interagindo com um reservatório construído por átomos de três níveis.Os emblemáticos estados Bell e NOON, e estados multipartites (tipo W) podem ser produzidos com alta fidelidade e pureza.