El aspecto más importante para el almacenamiento y procesamiento de la in- formación del cual hacen uso las llamadas tecnologías cuánticas, es el hecho de que los sistemas atómicos presentan correlaciones que no tienen contra- parte clásica. En particular, la discordia cuántica es la forma más general de correlaciones en los sistemas cuánticos, que se conoce hasta el momento. En este trabajo comparamos dos cuantificadores de correlaciones tipo discordia, haciendo énfasis en su comportamiento para diferentes estados de dos qubits. Consideramos la definición original y la discordia cuántica como potencia de interferometría. Como resultados, mostramos que ambos cuantificadores tienen comportamientos similares, que sin embargo difieren en magnitud para la mayoría de los estados mezclados estudiados. Dicha variación podría indicar que un cuantificador (el de mayor magnitud) es más factible a ser detecta- do experimentalmente. Además, en el escenario real de emisores cuánticos, mostramos que los efectos físicos como la interacción dipolar y la influencia colectiva del proceso de emisión espontánea, pueden favorecer las correlaciones cuánticas al incrementar su magnitud en vez de deteriorarlas. Esto es de gran importancia para protocolos de transmisión de información en sistemas atómicos y fotónicos.
El aspecto más importante para el almacenamiento y procesamiento de la in- formación del cual hacen uso las llamadas tecnologías cuánticas, es el hecho de que los sistemas atómicos presentan correlaciones que no tienen contra- parte clásica. En particular, la discordia cuántica es la forma más general de correlaciones en los sistemas cuánticos, que se conoce hasta el momento. En este trabajo comparamos dos cuantificadores de correlaciones tipo discordia, haciendo énfasis en su comportamiento para diferentes estados de dos qubits. Consideramos la definición original y la discordia cuántica como potencia de interferometría. Como resultados, mostramos que ambos cuantificadores tienen comportamientos similares, que sin embargo difieren en magnitud para la mayoría de los estados mezclados estudiados. Dicha variación podría indicar que un cuantificador (el de mayor magnitud) es más factible a ser detecta- do experimentalmente. Además, en el escenario real de emisores cuánticos, mostramos que los efectos físicos como la interacción dipolar y la influencia colectiva del proceso de emisión espontánea, pueden favorecer las correlaciones cuánticas al incrementar su magnitud en vez de deteriorarlas. Esto es de gran importancia para protocolos de transmisión de información en sistemas atómicos y fotónicos.
Uno de los aspectos más importes en el contexto de información cuántica del cual hacen uso las llamadas tecnologías cuánticas, es el de correlaciones cuantías. En particular, el denominado entrelazamiento cuántico (traducción acogida para el termino Entanglement), que ha sido arduamente estudiado como una correlación intrínseca de estados cuánticos, y como recurso físico para desarrollo de protocolos de información y computación cuántica [2]. Sin embargo, desde el año 2000 los reportes sobre nuevas correlaciones cuánticas más generales que el entrelazamiento, originalmente denominada discordia cuántica [3] abrieron todo un campo de investigación. Dado que estas correlaciones son importantes, no solo desde un punto de vista teórico de su definición y propiedades, sino también desde una perspectiva de aplicación como recurso cuántico para futuras tecnologías, y que estas dependen de medidas locales realizadas sobre las partes del sistema haciendo que existan muchas formas de definir correlaciones tipo discordia cuántica, esto es gracias a que en mecánica cuántica se cuenta con diversas transformaciones locales, como por ejemplo; transformaciones unitarias, medidas de von Neumann, proyecciones, etc [4]. En este trabajo se presenta un estudio comparativo de dos cuantificadores de correlaciones tipo discordia cuántica; una definición inducida de la información mutua (a la que originalmente se le atribuye el nombre de discordia), y una definición basada en coherencia, que denominaremos potencia de interferometría. La comparación se hace sobre las definiciones y propiedades de los cuantificadores. Específicamente se realizó una comparación sistemática de la discordia original y la potencia de interfermetría sobre estados mezclados como sigue: i) estados combinados con ruido blanco, en el que uno de los componentes de la mezcla es el operador identidad, ii) mezcla de dos estados cuánticos correlacionados, y iii) mezcla de un estado correlacionado con un estado producto. Los tres casos pueden parametrizarse con un único parámetro p con 0 ≤ p ≤ 1. La variación del parámetro, modela de forma sencilla la acción de canales de ruidos que transforman un estado cuántico en otro. Sin embargo, aquí no nos interesamos por modelar un ruido en específico, sino en estudiar el comportamiento de las correlaciones en los casos establecidos, donde observamos sus definiciones, algunas de sus propiedades y la forma de calcularlas para estados cuánticos de dos qubits, los resultados ilustran el comportamiento de éstos dos cuantificadores, los cuales toman valores diferentes para estados mezclados. También, se realizó el estudio comparativo del comportamiento de los dos cuantificadores en la evolución de estados cuánticos de qubits en un entorno disipativo, los resultados ilustran el efecto sobre éstos dos cuantificadores debido a la interacción con un reservorio, cuyos parámetros son controlados dentro del régimen de Born-Markov.
Las últimas dos décadas han sido testigos de tremendos avances y desarrollos en la ciencia y tecnología de la información cuántica, debido principalmente al uso de recursos físico-cuánticos, tales como la coherencia y el entrelazamiento. La formalización del concepto de computación cuántica universal por D. Deutsch en 1985 ha madurado hacia iniciativas comerciales que apuntan a acelerar la implementación física de una computadora cuántica práctica. Hasta ahora, dicha tecnología cuántica se ha impulsado como procesadores de información que se basan principalmente en bits cuánticos (qubits) superconductores. Otros desarrollos hacen uso de los estados cuánticos de los fotones en conjunción con otros registradores cuánticos basados en electrones, átomos, moléculas, sistemas artificiales, entre otros. Aunque, para cualquier caso, las tecnologías de qubit múltiples aún están bajo intensa investigación y desarrollos en los que la temperatura y el tamaño del registrador cuántico son cuestiones esenciales. Sin embargo, toda posible implementación física de dispositivos de procesamiento de información cuántica tiene en común las propiedades fundamentales de los sistemas cuánticos: interferencia, coherencia y entrelazamiento. En esta tesis, tratamos el estudio de la coherencia cuántica y el entrelazamiento en qubits (codificados en base a la polarización) y los materiales cuánticos (que operan a temperatura ambiente) para analizar el papel de las correlaciones cuánticas y la decoherencia para fines de procesamiento de información. La investigación actual se divide en dos partes principales: la primera comienza con el análisis de la influencia de un medio birrefringente sobre el entrelazamiento de un estado de qubit fotónico. Empleamos una fibra que mantiene la polarización (PMF) como un entorno de decoherencia para probar el modelo teórico en el que la simetría del acoplamiento entre el entorno y el qubit define la muerte y reactivación de las correlaciones de información. Este hallazgo establece una herramienta para mantener el entrelazamiento independiente de la longitud de la fibra empleando las propiedades de simetría del sistema físico. Como complemento, para demostrar que el entrelazamiento no es el único factor crucial en los esquemas de información, empleamos el juego del dilema del prisionero (en un espacio de estrategia de dos parámetros y extendido hasta tres) para demostrar que las ventajas cuánticas en este protocolo son debido a la superposición cuántica en lugar del entrelazamiento del sistema físico. Aquí también presentamos una configuración experimental con fotones para verificar nuestros hallazgos con qubits fotónicos. La segunda parte de la tesis examina un nuevo nanomaterial que podría servir de puente para la interacción de fotones y electrones hacia una representación física de qubits fotónicos condicionados mediante registros externos (como electrones o iones). La primera etapa en esta dirección considera la implementación de emisores de fotones individuales. Sin embargo, antes de esto es necesario reconocer las capacidades fotofísicas de las Perovskites como estructura seleccionada. Como complemento, la novedad de esta nanoestructura nos permite dar respuestas a algunas preguntas abiertas en esta dirección de caracterización en el marco de esta investigación. Las perovskitas de MA-haluro (metilamonio-haluro) están estructuralmente formadas por pequeños dominios que van desde tamaños de nano a micrómetros y que presentan una fuerte intermitencia de fotoluminiscencia (Blinking). Atribuimos esta respuesta a la recombinación noradiativa de Auger de electrones adicionales fotogenerados en un proceso de relleno de trampas ocasionadas por defectos o móvimiento de iones. Esto lo verificamos mediante la aplicación de una capa absorbente (quencher) de cargas de PCBM (fenil-éster metílico del ácido butírico C61), lo que resultó en una disminución considerable del parpadeo. También proporcionamos una técnica novedosa para la observación en tiempo real del efecto del movimiento de iones sobre este material. Adicionalmente, este comportamiento indica condiciones adecuadas para la existencia de pocos emisores que son útiles en protocolos cuánticos y se convierten en una motivación para analizar y explicar este fenómeno. Luego, preparamos dos composiciones químicas de perovskitas inorgánicas con un alto orden estructural para explorar las condiciones necesarias para producir un emisor cuántico con este material. Visualizamos las muestras a través de microscopía electrónica, y ambos sistemas se caracterizaron espectralmente para disminuir las diluciones hasta observar la intermitencia de la emisión. Se verificó el comportamiento no clásico de la emisión empleando un interferómetro Hanbury-Brown y Twiss mediante la medición del grado de función de correlación de coherencia de segundo orden. Finalmente, pero no menos importante, la información adicional presenta los laboratorios implementados durante esta investigación doctoral y el prototipo de un dispositivo de conteo de señales para analizar las coincidencias temporales en eventos fotónicos correlacionados.
En esta Tesis se presentan los resultados de implementaciones ópticas de algoritmoscuánticos, orientadas a protocolos de comunicación y procesamiento cuántico de la información. En particular, se estudiaron algoritmos cuánticos basados en entrelazamiento y se analizó la interacción del sistema cuántico en cuestión con distintos entornos ruidosos. Estas investigaciones se realizaron en forma mixta, tanto experimental como teórica, contemplando etapas de interacción del sistema con entornos controlados. Se realizaron experimentos de teleportación cuántica y distribución cuántica de claves (QKD), con el propósito de ganar experiencia en la manipulación y control de sistemas cuánticos. A partir de estos experimentos, se demostraron algoritmos eficientes y robustos ante entornos ruidosos que generan decoherencia en el recurso entrelazado. Para llevar a cabo estos experimentos, se desarrolló una fuente de pares de fotones entrelazados en polarización, basada en el proceso de conversión paramétrica descendente. La utilización de fotones como recurso físico permite la codificación de qubits en diversos grados de libertad de los mismos. En los experimentos realizados en esta Tesis, a partir de un único fotón se codificaron dos qubits en los grados de libertad de polarización y momento lineal del mismo. Para representar la interacción del sistema con un entorno local, se utilizaron los dos grados de libertad de polarización y camino para representar el sistema y el entorno, respectivamente. Estas interacciones se producen en arreglos experimentalesbasados en óptica lineal. Los arreglos experimentales diseñados e implementados permitieron un estudio versátil de los distintos protocolos propuestos, y un control sistemático de los entornos. Se estudiaron las condiciones para las cuales la dinámica del sistema era robusta frente al ruido y la acción del mismo sobre el desempeño de estos protocolos. En particular se realizó un estudio de la eficiencia del protocolo de teleportación bajo distintos tipos e intensidades de interacción con un entorno, pudiendo obtener condiciones para las cuales el sistema presenta baja sensibilidad a ciertos tipos de ruido. Asimismo, para el caso de distribución cuántica de claves, la interacción del sistema con el entorno nos permitiómodelar la acción de un espía y estudiar la seguridad de protocolos de QKD. La evolución de los sistemas cuánticos inducida por la interacción con entornos locales genera decoherecia, afectando el grado de entrelazamiento inicial y su utilización como recurso cuántico. Se estudiaron entonces distintas condiciones de ruido cuántico y su efecto sobre el entrelazamiento de un sistema, obteniendo una relación entre la "muerte del entrelazamiento" y canales efectivos capaces de romper completamente el entrelazamiento, para sistemas de dos qubits. Estos resultados permitieron anticipar qué estados pueden sufrir muerte del entrelazamiento o no para una dada evolución. Conocer de antemano el estado inicial y/o el canal cuántico que afecta el recurso entrelazado permite elegir demanera óptima los parámetros necesarios para un procesamiento cuántico eficiente de la información. La base de todos los experimentos realizados es una fuente de pares de fotones entrelazados y un arreglo óptico confiable y versátil basado en óptica lineal. El control sobre los estados fotónicos generados se realiza interferométricamente y en polarización. El dominio de estas técnicas de control de estados cuánticos es un resultado en sí mismo y el arreglo experimental desarrollado se presenta como una plataforma robusta para el estudio de la dinámica de procesos cuánticos. A modo de síntesis, entendemos que en el desarrollo de esta Tesis de Doctorado secumplieron los dos objetivos propuestos: por un lado estudiar la influencia de procesos de decoherencia e interacción con entornos en la eficiencia de algoritmos de información cuántica y por otro desarrollar herramientas ópticas para el estudio e implementación eficiente de estos algoritmos.
Se documenta la existencia de correlaciones tanto clásicas como cuánticas en sistemas de partículas. El entrelazamiento cuántico es la más famosa de las correlaciones cuánticas. Se hace énfasis en que existe una correlación cuántica más allá del entrelazamiento cuántico llamada discordia cuántica. Se explica la interpretación de discordia cuántica como fusión de estado cuántico. Los sistemas no entrelazados pueden tener una discordia cuántica no nula. Se hace énfasis en que la discordia cuántica representa la diferencia en la extracción de la información por medios locales y globales.
En este trabajo se estudia la evolución de correlaciones cuánticas en un modelo Tavis-Cummings que consta de dos qubits y un único modo cuantizado del campo electromagnético. Se consideran procesos de emisión/absorción de un sólo fotón y de dos fotones correlacionados, para cada uno de los qubits. El modelo se estudia teniendo en cuenta disipaciones unifotónicas y bifotónicas, a través de una cavidad que interactúa con un reservorio térmico. La solución numérica de una ecuación maestra Lindblad nos permite realizar una descripción de la evolución de las correlaciones cuánticas, entrelazamiento cuántico y discordia cuántica, en función del tiempo para un estado atómico tipo superposición. Se muestra que los diferentes resultados de las correlaciones cuánticas, presentan comportamientos cualitativamente diferentes en su evolución.
El control es una rama interdisciplinar entre la ingeniería y las matemáticas, cuyo objetivo es la manipulación activa del comportamiento de cualquier sistema dinámico. Actualmente, con el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en dispositivos cuyas leyes vienen dictadas por la mecánica cuántica, el desarrollo de técnicas de control aplicadas a estos sistemas se ha convertido en una prioridad para el desarrollo tecnológico actual. \nEl principal problema radica en que algunas cualidades de la mecánica cuántica no permiten pasar fácilmente el esquema del control clásico al ámbito cuántico. Clásicamente, es posible adquirir toda la información necesaria y emplearla de manera eficiente para retroalimentar el sistema y especializar la acción de control al estado actual. Por el contrario, en un sistema cuántico no toda la información es asequible mediante una medición y, además, todo intento de medir el sistema lo perturba de manera notable. Técnicamente, las ecuaciones dinámicas en un proceso tal son ecuaciones diferenciales estocásticas (SDE1) no lineales en lugar de las ecuaciones diferenciales deterministas de los sistemas clásicos. \nEl dominio de las tecnologías cuánticas se divide en cuatro campos destacables [1]: Sensores cuánticos, donde la alta sensibilidad de los sistemas cuánticos a las perturbaciones se aprovecha para mejorar la precisión de las medidas de magnitudes físicas; Comunicación cuántica, donde los fotones se usan para transmitir datos e información de una manera segura; Simulación cuántica, donde un sistema cuántico controlado puede simular el comportamiento de otro sistema cuántico menos accesible; y Computación cuántica, donde mediante los fenómenos cuánticos se puede conseguir una disminución drástica del tiempo de computación en cálculos numéricos. \nSabiendo los campos de actuación de estas tecnologías y mirando al futuro, del mismo modo que el transistor supone actualmente un elemento imprescindible en la industria, parece difícil no creer que las tecnologías cuánticas supondrán una revolución en sectores como la industria aeroespacial, automotriz o manufacturera, así como en salud, agricultura o finanzas. \nEl desarrollo de las tecnologías cuánticas ha conseguido captar mucha atención en las últimas décadas. Como aparece explicado en [1], parte de este impulso se debe al “Quantum Manifesto”, un documento generado en 2016 por la comunidad científica donde se realiza un llamamiento a gobiernos e industrias para apoyar esta tecnología. El interés generado por este documento fue respondido por la Comisión Europa mediante un proyecto de 10 años de duración (Flagship) y con una inversión de más de un billón de euros iniciales, aumentando en volumen cada año que pasa. Por otro lado, potencias mundiales como China, Rusia, Australia, Estados Unidos o Canadá son actualmente líderes en el desarrollo de tecnologías cuánticas. A nivel empresarial, compañías como Intel, HP, Toshiba y Microsoft, con IMB y Google a la cabeza, apuestan por la investigación en los campos de las tecnologías cuánticas como la computación y la comunicación cuánticas. \nCon este trabajo se pretende desarrollar un proyecto de investigación enfocado a la simulación numérica de la dinámica y control de un Qubit (bit cuántico): la nueva unidad de información elemental de la teoría de la información cuántica. A diferencia de un bit clásico que solo presenta dos estados posibles, un bit cuántico puede presentar ambos estados al mismo tiempo, es decir, el estado de un Qubit es una combinación lineal de los estados elementales de un bit clásico. \nEsta característica es la que define el potencial de los Qubits como nueva tecnología. Por este mismo motivo, el Qubit, como su propio nombre indica, es un sistema cuántico, estando sometido y regido por las leyes de estos. \nEn el primer capítulo del trabajo, se realizará una breve introducción a las tecnologías cuánticas, ilustrando el formalismo cuántico a través de la computación cuántica. En esta sección, se estudiará el Qubit, sus estados y las operaciones a las que son sometidos. En el segundo capítulo, se introducirá el modelo de control empleado para sistemas cuánticos en general, concretando para la dinámica y control de un Qubit. En el siguiente capítulo, analizaremos los resultados obtenidos a través de las diferentes simulaciones llevadas a cabo mediante métodos numéricos. En este punto, comprobaremos qué tan bueno es el control propuesto en la bibliografía para un Qubit y si es robusto ante diferentes situaciones. Se cerrará el proyecto con un capítulo dedicado a las conclusiones extraídas y los posibles trabajos de interés que se pueden realizar en un futuro.