Os estados de spin de um elétron aprisionado em um ponto quântico é um forte candidato para a implementação do qubit em sistemas de estado sólido.Nesta dissertação usamos uma sequência de pulsos de laser polarizados para manipular coerentemente o grau de liberdade de spin de um ponto quântico.Para fazer isto, usamos um campo magnético externo, e manipulamos parâmetros como a duração, polarização e fase relativa dos pulsos.Mostramos ainda que uma aproximação comumente usada neste sistema não é válida, ignorar um nível de energia e aproximar ele como um sistema do tipo lambda não pode ser feito quando um estado de trion é criado.
Os estados de spin de um elétron aprisionado em um ponto quântico é um forte candidato para a implementação do qubit em sistemas de estado sólido.Nesta dissertação usamos uma sequência de pulsos de laser polarizados para manipular coerentemente o grau de liberdade de spin de um ponto quântico.Para fazer isto, usamos um campo magnético externo, e manipulamos parâmetros como a duração, polarização e fase relativa dos pulsos.Mostramos ainda que uma aproximação comumente usada neste sistema não é válida, ignorar um nível de energia e aproximar ele como um sistema do tipo lambda não pode ser feito quando um estado de trion é criado.
Medidas experimentais foram realizadas para determinar as escalas de tempo de relaxação e decoerência do spin eletrônico como bit quântico.A estrutura dos estados de exciton foi investigada com o objetivo de servir como estados intermediários na manipulação do spin.O sistema utilizado para o estudo de decoerência é um ensemble de pontos quânticos auto-formados semicondutores.Dois temas servem como eixos centrais dos três experimentos desenvolvidos nesta tese: a polarização de spin e o fator g de Landé.No primeiro experimento, ao incluir o efeito do reservatório térmico, foi obtido o grau de polarização do spin (populações dos níveis up e down) para as camadas s e p. O desdobramento dos níveis orbitais em subníveis de spin permitiu obter a magnitude do fator g para estes estados.Mudando a orientação do campo magnético, foram observadas as anisotropias do tensor g e a sua relação com os detalhes do potencial de confinamento.Estas características permitiram inferir o tempo de relaxação T 1 .A medida da polarização resolvida no tempo foi realizada através de espectroscopia óptica de bombeio-prova.Os pulsos de luz e o campo magnético transverso permitem que uma polarização líquida seja inicializada.A rotação de Kerr permitiu observar oscilações desta polarização em torno do campo magnético com freqüência determinada pelo fator g.A perda da coerência de fase do spin resulta no decaimento destas oscilações numa escala de tempo T 2 .Medidas realizadas num ensemble de spins implicam em que o tempo de decoerência encontra-se limitado pela escala de defasagem T * 2 < T 2 .Uma técnica semelhante à refocalização por spin-eco em experimentos de ressonância magnética nuclear, foi aplicada utilizando pulsos de laser para reverter a defasagem do ensemble.Tanto a possibilidade de medir o sinal de eco como o tempo de decoerência foram medidos como função da temperatura.A estrutura de níveis de exciton e a sua distribuição no ensemble foi esvii viii tudada também com espectroscopia de bombeio-prova.Foram observados batimentos quânticos entre os níveis de estrutura fina do exciton para sistemas 0D e 2D limitados pelo tempo de recombinação.
Recentemente, uma implementação de um conjunto universal de portas lógicas de um e dois qubits para computação quântica usando estados de spin de pontos quânticos de um único elétron foi proposta.Estes resultados nos motivaram a desenvolver um estudo teórico formal do correspondente modelo de dois spins colocados em um campo magnético externo e acoplados por uma interação mútua de Heisenberg dependente do tempo.Nós então consideramos a assim chamada equação de dois spins, a qual descreve sistemas quânticos de quatro níveis de energia.Uma útil propriedade dessa equação é que o correspondente problema para o caso de campos magnéticos externos paralelos pode ser reduzido ao problema de um único spin em um campo externo efetivo.Isso nos permite gerar uma série de soluções exatas para a equação de dois spins a partir de soluções exatas já conhecidas da equação de um spin.Com base neste fato, nós construímos e apresentamos neste estudo uma lista de novas soluções exatas para a equação de dois spins para diferentes con…gurações de campos externos e de interação entre as partículas.Utilizando algumas destas soluções obtidas, estudamos a dinâmica da entropia de emaranhamento dos
Um estudo sobre processos de descoerência em qubits de estado sólido Frederico Brito RESUMO Esta tese teve como objetivo estudar processos de perda de coerência quântica, chamados de descoerência, em sistemas de matéria condensada eleitos pela literatura como possíveis implementações do bit quântico (qubit).Esta perda de coerência quântica ocorre devido ao inevitável acoplamento do sistema de interesse com o seu ambiente.Como os estados de superposição quântica são a chave para a realização de operações baseadas na lógica quântica, tem-se que tais processos limitam ou até mesmo impedem o uso de determinados sistemas na esperada realização física do computador quântico.Os sistemas de matéria condensada padecem de uma dificuldade maior para se isolar o qubit do seu ambiente, o que acarreta, em geral, na observação de tempos de coerência piores do que os encontrados em seus concorrentes.Por outro lado, a possibilidade de construção de vários qubits acoplados e de manipulação de cada um de modo individual, usando-se técnicas convencionais de engenharia, têm impulsionado esforços nestes tipos de dispositivos.Os sistemas abordados na tese foram: qubits supercondutores contendo junções Josephson; e qubits de pontos quânticos.Para a investigação completa do primeiro tipo tivemos que desenvolver o modelo Caldeira-Leggett para o caso de várias fontes de dissipação acopladas ao qubit.Com a prescrição apresentada aqui, pudemos determinar o número de banhos de osciladores necessários para a correta descrição das fontes, e verificar que as taxas totais de relaxação e de descoerência não são necessariamente as somas das taxas devido a cada fonte individualmente.Além disso, pudemos aplicar o formalismo desenvolvido no estudo de um qubit de fluxo em investigação.Para o sistema de pontos quânticos seguimos a linha de determinação do banho efetivo visto pelo grau de liberdade de spin do elétron aprisionado no ponto quântico.Determinada a função espectral efetiva, pudemos encontrar soluções analíticas para a dinâmica do valor esperado para cada uma das componentes de spin σ x,y,z , o que permitiu uma análise completa dos efeitos de cada parâmetro físico do sistema.Em ambos os casos, fomos capazes de indicar os melhores regimes de operação de cada qubit, e dar estimativas dos tempos de relaxação e de descoerência.* Uma outra possível visão desta função de onda é considerá-la, para sistemas invariantes por translação, como sendo descrita pela variável do centro de massa do condensado [29].
Nesta tese, realizamos experiências relacionadas com o armazenamento de informação óptica em um ensemble de átomos frios de césio. A configuração experimental utilizada foi semelhante à de mistura de quatro ondas degenerada resolvida no tempo, usando a geometria conhecida como conjugação de fase óptica. Investigamos, tanto teórica quanto experimentalmente, diversos efeitos coerentes e mostramos explicitamente o armazenamento de uma grade de coerência entre os subníveis Zeeman pertencentes a um nível hiperfino do estado fundamental do césio. Analisamos o comportamento da energia dos pulsos gerados em função das intensidades dos campos envolvidos e observamos diferentes comportamentos de saturação. Em outro experimento, estudamos as correlações de energia entre diferentes modos temporais e espaciais gerados coerentemente pelo meio, o qual permitiu observar que os efeitos de emissão espontânea são predominantes quando cada transição do sistema é acessada com mesma intensidade de leitura. As larguras temporais dos modos envolvidos no processo mostraram ser invariantes quando a intensidade total de leitura se mantém constante. Realizamos também, usando um campo magnético externo, uma investigação sobre a evolução coerente do estado armazenado. Medimos a evolução temporal do sinal difratado em duas condições experimentais distintas: com o campo magnético externo aplicado paralelo e perpendicularmente à direção de propagação dos campos ópticos. Em ambos os casos, observamos uma série de collapses and revivals que estão intimamente relacionados com a precessão de Larmor da grade Zeeman armazenada em torno do campo magnético aplicado externamente. Finalmente, realizamos experiências envolvendo modos do campo eletromagnético que possuem momentum angular orbital (MAO). Demonstramos o armazenamento de estados de MAO e de suas superposições coerentes, bem como sua manipulação com campos magnéticos externos. Mostraremos que o MAO óptico pode ser armazenado, manipulado e recuperado coerentemente a partir do sistema atômico.
Sistemas atômicos coerentemente preparados podem dar origem a fenômenos interessantes e inesperados como, por exemplo, a transparência eletromagneticamente induzida (EIT). Em tal fenômeno, um meio absorvente pode se tornar transparente mediante uma interação coerente com campos de radiação laser. Este efeito pode ser interpretado como a criação de uma superposição coerente dos níveis atômicos fundamentais que não é acoplada ao estado excitado pelos campos incidentes. Em publicação recente, foi investigado o fenômeno de EIT na presença de um campo magnético dc externo e foi demonstrado que este sistema além de cancelar a absorção do feixe de prova pode também amplificar o feixe de prova incidente levando a um novo mecanismo de ganho. No presente trabalho estendemos a investigação deste mecanismo de ganho explorando o efeito de uma cavidade óptica no aumento do ganho e finalmente alcançando a oscilação laser em tal sistema. O experimento é realizado com átomos frios de césio obtidos a partir de uma armadilha magneto-óptica (MOT). Usamos os subníveis Zeeman da transição cíclica do césio 6S1/2, F = 3 → 6P3/2 , F ′ = 2, que é excitada por dois feixes coerentes, o feixe de controle e o feixe de prova com polarizações circulares e opostas, na presença de um campo magnético dc externo. Este sistema pode produzir ganho óptico de passagem única da ordem de 80-100% para valores moderados do campo magnético e da potência do feixe de controle. Em um primeiro conjunto de medições, foi investigado o aumento do ganho produzido por uma cavidade óptica em anel com diferentes perdas e finesses. Para uma cavidade de baixa finesse com um espelho de refletividade R = 70% medimos a amplificação do feixe de prova para diferentes parâmetros experimentais, e um aumento da ordem de 14 vezes no ganho óptico foi observado. Além disso, atingimos a oscilação laser quando uma cavidade óptica de alta finesse com espelho de refletividade R = 99,9% foi usada. Neste caso, mesmo quando o feixe de prova incidente é bloqueado, a auto-oscilação do sistema é observada quando a cavidade é varrida para sua frequência de ressonância. Estas observações constituem uma demonstração de um novo sistema de laser operando em átomos frios e na dissertação, iremos discutir suas possíveis aplicações.
A computação quântica adiabática tem sua pedra angular no teorema adiabático, cuja eficiência está relacionada tradicionalmente à proporção da variação temporal do Hamiltoniano que descreve o sistema e o gap mínimo entre o estado fundamental e o primeiro excitado.Normalmente, esse gap tende a diminuir quando aumenta o número de recursos (bit quântico: qubit) de um processador quântico, exigindo dessa maneira variações lentas do Hamiltoniano para assim garantir uma dinâmica adiabática.Entre os candidatos para a sua implementação física, estão os qubits baseados em circuitos supercondutores os quais têm um grande potencial, por causa de seu alto controle e escalabilidade promissora.No entanto, quando esses qubits são implementados, eles têm uma fonte intrínseca de ruído devido a erros de fabricação, que não podem ser desprezados.Por isso, nesta tese nós estudamos como os efeitos causados pelas flutuações dos parâmetros físicos do qubit afetam o comportamento da fidelidade da computação, realizando com esse propósito a simulação da dinâmica de cadeias de spin pequenas desordenadas.A partir do análise exaustivo desse estúdio foi possível propor uma estratégia que permite aumentar a fidelidade considerando um sistema ruidoso.Por outro lado, motivados pelo interesse de obter critérios suficientes e necessários para satisfazer uma computação quântica adiabática e pelo fato que ainda não existe uma condição de adiabaticidade geral apesar de existir inúmeras propostas, nós apresentamos um novo critério que manifesta suficiência para sistemas mais gerais e finalmente apresentamos evidências de que tal condição seria um quantificador consistente.