apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento Pessoal de Nível Superior -Brasil (CAPES) -Código de Financiamento 001.Bolsa número 88887.514500/2020-00. ResumoEste trabalho teve como objetivo desenvolver novos métodos para geração de estados não-clássicos do campo eletromagnético, utilizando meios lineares (divisor de feixes) e não-lineares (amplificador paramétrico).Em particular, estudamos o método conhecido como quantum scissors para gerar estados truncados da luz e desenvolvemos um método alternativo que, além de apresentar maior flexibilidade com relação ao tipo de estados gerados, permite uma simplificação do aparato experimental.Para ilustrar o método, calculamos as propriedades dos estados gerados utilizando como entrada estados coerentes e estados térmicos.Em seguida estudamos o efeito de fotodetectores imperfeitos no processo e o efeito da adição de fótons sobre os estados gerados previamente.Por fim, desenvolvemos, a partir do aparato de quantum scissors, um novo esquema de hole-burning e ilustramos esse método utilizando como entrada estados de vácuo comprimido, estados coerentes comprimidos e estados coerentes com fóton adicionado.
apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento Pessoal de Nível Superior -Brasil (CAPES) -Código de Financiamento 001.Bolsa número 88887.514500/2020-00. ResumoEste trabalho teve como objetivo desenvolver novos métodos para geração de estados não-clássicos do campo eletromagnético, utilizando meios lineares (divisor de feixes) e não-lineares (amplificador paramétrico).Em particular, estudamos o método conhecido como quantum scissors para gerar estados truncados da luz e desenvolvemos um método alternativo que, além de apresentar maior flexibilidade com relação ao tipo de estados gerados, permite uma simplificação do aparato experimental.Para ilustrar o método, calculamos as propriedades dos estados gerados utilizando como entrada estados coerentes e estados térmicos.Em seguida estudamos o efeito de fotodetectores imperfeitos no processo e o efeito da adição de fótons sobre os estados gerados previamente.Por fim, desenvolvemos, a partir do aparato de quantum scissors, um novo esquema de hole-burning e ilustramos esse método utilizando como entrada estados de vácuo comprimido, estados coerentes comprimidos e estados coerentes com fóton adicionado.
Na primeira parte deste trabalho seguimos os estudos de Hirota e colaboradores e definimos quatro estados quase-Bell baseados em estados coerentes comprimidos da luz. Dois desses estados sao maximamente emaranhados, enquanto o emaranhamento dos outros dois depende apenas da sobreposicao entre os estados coerentes comprimidos que os compoem. A partir destes estados quase-Bell, definimos novos estados interpolados cujo emaranhamento e tambem governado por um parâmetro de interpolacao adicional e estudamos algumas das propriedades destes estados (emaranhamento e eficiencia energetica). Por fim, usamos estes estados e definimos alguns estados de Werner, com os quais analisamos de forma simples uma possivel influencia de um ambiente dissipativo parametrizado pela probabilidade de o estado de Werner estar em sua forma emaranhada ou misturada. Para esta analise usamos os conceitos de separabilidade e emaranhamento. Na segunda parte estudamos a estimativa de fase quântica usando estados gaussianos puros (estados coerentes comprimidos). Iniciamos com a estimativa da fase introduzida por um operador unitario em cujo hamiltoniano esta presente uma perturbacao linear nos operadores de criacao e aniquilacao, alem do operador de numero de fotons responsavel pela evolucao de fase (perturbacao linear unitaria). Obtemos quais sao os estados gaussianos otimos para a estimativa desta fase e analisamos a optimalidade da deteccao homodina. A seguir, consideramos o parâmetro de perturbacao como uma variavel aleatoria que obedece a uma distribuicao gaussiana de probabilidades (perturbacao linear aleatoria) e novamente obtemos os estados de sonda otimos e analisamos a optimalidade da deteccao homodina. Por fim, estudamos a estimativa de fase com perturbacao linear unitaria utilizando os estados quase-Bell interpolados definidos na primeira parte deste trabalho e verificamos que a utilizacao de emaranhamento permite uma melhor estimativa de fase para uma mesma energia disponivel
Abstract
fomento através do número de processo 136415/2019-9.O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior -Brasil (CAPES) -Código de Financiamento 001.Resumo Desenvolveu-se uma nova estratégia de solução analítica da equação de Schrödinger (SE) para duplos poços potenciais utilizando funções esferoidais prolatas angulares.Tais funções apresentam forma adequada e sua solução é uma maneira simples e acurada de se obter os níveis de energia e seu desdobramento, e a frequência de tunelamento.A estratégia utilizada parte da modelagem da superfície de energia potencial (PES) utilizando a curva de coordenadas intrínsecas de reação (IRC), à qual faz-se a regressão utilizando o potencial trigonométrico simétrico, ou gerando a PES a partir da altura e largura da barreira e sua regressão ao potencial trigonométrico simétrico.Este potencial é então utilizado na resolução da SE.Durante a transformação das variáveis para variáveis adimensionais, surge um parâmetro L que não pode ser obtido a partir de dados experimentais, o qual foi então resolvido considerando-o como parâmetro de ajuste.A acurácia do método foi comparada ao método WKB e à abordagem de instanton-soliton para cálculos de desdobramento de níveis de energia e frequência de tunelamento das moléculas NH 3 , ND 3 , CH 3 NH 2 , (CH 3 ) 2 NH e (CH 3 ) 3 N. Para NH 3 , as frequências de tunelamento calculadas foram 2, 56, 3, 67 e 1, 12 × 10 10 s -1 , para o método desenvolvido, o método WKB e para a abordagem instanton-soliton.A frequência de tunelamento experimental é 2, 38 × 10 10 s -1 .Os resultados demonstram que o presente método possibilita alcançar valores acurados utilizando cálculos simples e diretos.Além disso, pode ser utilizada mesmo em regiões proibidas para método semi-clássico.
Estudos da fase do campo eletromagnético quantizado, em geral, são voltados à procura de um operador para a fase.Apesar de não haver um consenso sobre esses operadores, estados com fase bem definida existem sem maiores problemas e, neste trabalho, mostramos que se pode estudar a fase do campo utilizando estes estados.Após uma breve introdução a alguns dos formalismos que tentam construir o operador de fase, voltamos nosso interesse para um estado em especial que é o Estado de Fase Coerente.Apresentamos algumas propriedades dos estados de fase e analisamos a relação entre as dispersões da fase e número de fótons com estes estados.Em seguida, estudamos as "distribuições de fase" obtidas da integração radial da função de quasi-probabilidade generalizada parametrizada em s e as comparamos com a distribuição de fase de Pegg-Barnett, que é considerada a mais apropriada.Notamos que para certos valores dos parâmetros envolvidos, ocorre uma coincidência quase que completa entre as duas distribuições, no caso do estado coerente e do altamente não-clássico estado "gato de Schrõdinger".
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.
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.
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.