A interação entre luz e matéria em sistemas quânticos abertos atraiu uma atenção significativa nas últimas décadas devido à sua importância no desenvolvimento de tecnologias quânticas emergentes, como a computação quântica e as comunicações ópticas. Nesse contexto, sistemas de microcavidades acoplados a pontos quânticos e nanostruturas têm sido objeto de extensos estudos teóricos e experimentais devido à sua capacidade de controlar e manipular fenômenos quânticos fundamentais. Este trabalho reúne três estudos de pesquisa que, embora abordem diferentes aspectos das interações luz-matéria, compartilham um interesse comum em explorar os efeitos do bombeio incoerente e dos processos de decoerência nas propriedades ópticas de sistemas quânticos abertos. O primeiro estudo foca no efeito do bombeio incoerente de excitons sobre a retificação óptica de uma nanostrutura que interage com um campo óptico clássico monocromático. Usando uma equação mestra de Born-Markov na forma de Lindblad, a emissão espontânea, o desfasamento e o bombeio incoerente são incluídos na análise. Uma expressão analítica é derivada para descrever a retificação óptica em função da taxa de bombeio incoerente, mostrando como o sistema transita entre os regimes de bombeio fraco e forte. O segundo trabalho examina o comportamento do espectro de fotoluminescência de um ponto quântico dentro de uma microcavidade semicondutora, sob a influência de um campo magnético externo. O sistema é modelado numericamente usando uma equação mestra na forma de Lindblad para capturar os efeitos da emissão espontânea, das perdas através dos espelhos da cavidade e do defasamento. Este trabalho revela a transição do regime de acoplamento forte para o regime da emissão desacoplada à medida que o campo magnético aumenta, com a linha σ− no espectro desacoplando-se mais rapidamente. O terceiro estudo investiga teoricamente os espectros de potência em um sistema de microcavidade-ponto quântico sob bombeio incoerente de fótons e excitons. Dois modelos diferentes são examinados, relacionando as taxas de perdas da cavidade e o bombeio, e são analisadas as transições entre os regimes de acoplamento forte e fraco em diferentes intensidades de bombeio. Apesar das diferenças entre os modelos, ambos preveem uma sequência de transições entre acoplamento fraco e forte à medida que o bombeio aumenta, um fenômeno que ainda não foi observado experimentalmente. Embora esses três trabalhos abordem diferentes aspectos e sistemas quânticos, todos compartilham o objetivo comum de entender como o bombeio incoerente e os processos de decoerência afetam as propriedades ópticas e os regimes de acoplamento de sistemas quânticos abertos. Esses estudos não apenas fornecem novos insights teóricos, mas também oferecem previsões que podem orientar futuros experimentos no campo da óptica quântica e das nanocavidades.
A interação entre luz e matéria em sistemas quânticos abertos atraiu uma atenção significativa nas últimas décadas devido à sua importância no desenvolvimento de tecnologias quânticas emergentes, como a computação quântica e as comunicações ópticas. Nesse contexto, sistemas de microcavidades acoplados a pontos quânticos e nanostruturas têm sido objeto de extensos estudos teóricos e experimentais devido à sua capacidade de controlar e manipular fenômenos quânticos fundamentais. Este trabalho reúne três estudos de pesquisa que, embora abordem diferentes aspectos das interações luz-matéria, compartilham um interesse comum em explorar os efeitos do bombeio incoerente e dos processos de decoerência nas propriedades ópticas de sistemas quânticos abertos. O primeiro estudo foca no efeito do bombeio incoerente de excitons sobre a retificação óptica de uma nanostrutura que interage com um campo óptico clássico monocromático. Usando uma equação mestra de Born-Markov na forma de Lindblad, a emissão espontânea, o desfasamento e o bombeio incoerente são incluídos na análise. Uma expressão analítica é derivada para descrever a retificação óptica em função da taxa de bombeio incoerente, mostrando como o sistema transita entre os regimes de bombeio fraco e forte. O segundo trabalho examina o comportamento do espectro de fotoluminescência de um ponto quântico dentro de uma microcavidade semicondutora, sob a influência de um campo magnético externo. O sistema é modelado numericamente usando uma equação mestra na forma de Lindblad para capturar os efeitos da emissão espontânea, das perdas através dos espelhos da cavidade e do defasamento. Este trabalho revela a transição do regime de acoplamento forte para o regime da emissão desacoplada à medida que o campo magnético aumenta, com a linha σ− no espectro desacoplando-se mais rapidamente. O terceiro estudo investiga teoricamente os espectros de potência em um sistema de microcavidade-ponto quântico sob bombeio incoerente de fótons e excitons. Dois modelos diferentes são examinados, relacionando as taxas de perdas da cavidade e o bombeio, e são analisadas as transições entre os regimes de acoplamento forte e fraco em diferentes intensidades de bombeio. Apesar das diferenças entre os modelos, ambos preveem uma sequência de transições entre acoplamento fraco e forte à medida que o bombeio aumenta, um fenômeno que ainda não foi observado experimentalmente. Embora esses três trabalhos abordem diferentes aspectos e sistemas quânticos, todos compartilham o objetivo comum de entender como o bombeio incoerente e os processos de decoerência afetam as propriedades ópticas e os regimes de acoplamento de sistemas quânticos abertos. Esses estudos não apenas fornecem novos insights teóricos, mas também oferecem previsões que podem orientar futuros experimentos no campo da óptica quântica e das nanocavidades.
A presente tese e dedicada a utilizacao de conhecidos sistemas quânticos em aplicacoes de interesse em optica e informacao quântica. Motivados pelos recentes avancos experimentais em sistemas formados por ions aprisionados interagindo com lasers e na eletrodinâmica quântica de cavidades, nos focamos grande parte de nossas propostas nestes sistemas. Mais especificamente, nos estudamos a interacao de ions e campos quantizados na chamada eletrodinâmica quântica de cavidades com ions aprisionados. Neste contexto, iniciamos nossos trabalhos com uma proposta de geracao de superposicoes mesoscopicas no movimento do ion. Uma vez que tais superposicoes sao muito sensiveis a decoerencia, incluimos perdas na cavidade para tratar uma situacao mais realista. Atraves da observacao de quantum jumps, ou foton-contagens fora da cavidade, mostramos um esquema de geracao de estados com caracteristicas quânticas muito similares aos encontrados no caso da cavidade ideal, sem perdas. Neste aspecto, encontramos um modo de usar a dissipacao a nosso favor, fato de grande interesse experimental devido as imperfeicoes dos espelhos reais. Apresentamos tambem uma proposta de implementacao de uma interacao do tipo Kerr em ions como uma alternativa ao uso de cristais nao-lineares que apresentam baixissima eficiencia para esse tipo de efeito. Essa proposta abre novas possibilidades para o uso de ions em medidas nao demolidoras e computacao quântica. Nossos estudos na area de eletrodinâmica quântica com ions aprisionados terminam com a analise dos efeitos do movimento do ion na dinâmica das transicoes multi-fotonicas. Esse e um estudo mais fundamental e esta relacionado com o entendimento da interacao da radiacao com a materia. Na ultima parte desta tese sao apresentados resultados sobre o uso de sistemas de muitos corpos para a distribuicao de informacao quântica. O objetivo de se estudar estes sistemas mais complexos e a busca de implementacao de protocolos quânticos em larga escala. Neste sentido, poderiamos pensar numa cadeia de osciladores harmonicos acoplados como ocorre em sistemas tipicos da fisica da materia condensada. Em particular, nos estudamos como aumentar a eficiencia na transmissao de emaranhamento nestas cadeias. Propusemos um esquema que funciona como um tipo de quantum data bus, ou onibus quântico para transportar e distribuir emaranhamento com alta eficiencia
Abstract
Nesta tese estudamos o controle da biestabilidade óptica absortiva em uma cavidade linear contendo uma coleção de átomos de dois e três níveis não interagentes fracamente acoplados a um único modo do campo. Mostramos que o controle para a configuração atômica de três níveis ocorre apenas nas condições de aprisionamento coerente de população e que o mesmo é sensível à coerência atômica induzida no sistema podendo ser manipulado através de diferentes parâmetros. Propomos algumas aplicações apresentando um efeito novo, o qual denominamos de biestabilidade óptica complementar, muito interessante para explorar dispositivos ópticos biestáveis com funções de cascatabilidade, como um transistor óptico. Estudamos também o controle óptico das flutuações do campo de prova pela combinação do fenômeno de transparência eletromagneticamente induzida para um único átomo no regime de acoplamento forte em eletrodinâmica quântica de cavidades. Especificamente, o campo de controle é utilizado para ajustar as frequências de transição dos estados vestidos ressonantemente ou quase ressonantemente com o campo de prova do sistema. Desta forma, efeitos de bloqueio de um e dois fótons e anti-bloqueio são observados produzindo campos sub- e super-Poissonianos, respectivamente. O controle quântico obtido pode ser promissor para a realização de um protótipo de um transistor quântico que amplifica e atenua flutuações quânticas do campo transmitido pelo sistema. A viabilidade desse dispositivo é demonstrada através de cálculos utilizando parâmetros de experimentos recentes.
Neste trabalho apresentamos um estudo da dinâmica de subsistemas quânticos dando ênfase ao fenômeno da decoerência. Em particular, estudamos os efeitos da decoerência num sistema de dois níveis acoplado a um outro sistema cujo espectro de energia é um contínuo no contexto do fenômeno quântico de tunelamento. Investigamos também aspectos da relação entre a descrição do sistema de dois níveis e a descrição do modelo linear na aproximação de onda girante em termos de uma equação mestra na aproximação de Born-Markov e a dinâmica exata destes dois subsistemas. Estudamos também o experimento proposto por L. Davidovich e colaboradores para medir a decoerência de superposições mesoscópicas de estados coerentes dentro do contexto da computação quântica. Este experimento pode ser re interpretado como um computador quântico capaz de solucionar o problema de Deutsch. O grande problema deste experimento, do ponto de vista da computação quântica, é a presença da decoerência. Esta decoerência provoca o aparecimento de erros no resultado final. Assim, nós mostramos uma maneira de reduzi-la, diminuindo assim os eventuais erros que possam aparecer. Finalmente, mostramos através de dois exemplos a relação entre o efeito Zeno e a decoerência.
A perspectiva de simular fenomenos quânticos de sistemas de muitos corpos em cavidades
opticas acopladas tem atraido bastante interesse nos ultimos anos. O alto
grau de controle experimental e a natureza hibrida das particulas envolvidas, denominada
polaritons, fornecem uma nova direcao no estudo de sistemas fortemente
correlacionados envolvendo interacao entre luz e materia. Alem disso, redes de cavidades
sao plataformas promissoras para processamento de informacao quântica
em redes quânticas. Esta tese e constituida por dois estudos em redes de cavidades
acopladas descritas pelo modelo Jaynes-Cummings-Hubbard. Em particular,
desenvolvemos protocolos de transferencia e controle de estados quânticos em duas
estruturas distintas. No primeiro estudo, consideramos uma cadeia unidimensional
de cavidades com um padrao alternado de acoplamento entre as cavidades, cada
uma interagindo com um atomo. Neste cenario, um par de modos normais do campo
eletromagnetico torna-se fortemente localizado nas extremidades da cadeia. Dessa
forma, uma vasta estrutura de regimes dinâmicos pode ser manipulada dependendo
da ressonância entre os modos normais atomicos e do campo. Mostramos como
isso pode ser utilizado para realizar protocolos de transferencia de estado quântico
envolvendo estados fotonicos, atomicos ou hibridos, com alta fidelidade. Tambem
discutimos como reduzir o tempo de transmissao de estados, sem comprometer sua
eficiencia, particionando a cadeia em modulos. Em seguida, exploramos a dinâmica
de excitacoes atomicas e fotonicas em uma rede complexa de Apolonio considerando
diversos regimes de interacao. Mostramos que o espectro de modos normais induzido
por este tipo de rede tambem oferece diversas alternativas no controle da dinâmica
do sistema. Alem disso, a natureza complexa da rede de Apolonio induz uma dinâmica
de propagacao nao-trivial que depende do grau de conexao entre os sitios,
podendo ser assim aplicada para conectar diferentes usuarios de uma rede quântica.
Nossos resultados contribuem para o desenvolvimento de protocolos de comunicacao
em redes quânticas utilizando dispositivos de interface luz-materia, abrindo assim
caminho para o processamento de informacao quântica em larga escala.
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.
O formalismo de sistemas quânticos abertos tem se tornado cada vez mais popular para a análise de problemas físicos, uma vez que nos permite construir modelos mais realistas via inclusão de um ambiente externo que influencie na dinâmica de um sistema de interesse.Dentre as infinitas possibilidades, dois modelos que vêm sendo efervescentes nos últimos anos são o ponto quântico duplo e a cavidade óptica.O primeiro é visto como um sistema fermiônico, por permitir a entrada e saída de elétrons, enquanto o segundo tem natureza bosônica, por permitir a injeção e a ejeção de fótons.O acoplamento dessas duas entidades dá origem a um sistema composto rico em aplicações empíricas, muito no que diz respeito à detecção de fótons isolados.Tendo isso em vista, esse trabalho buscou introduzir a abordagem da estatística de tempo de espera para esse tipo de acoplamento, uma vez que esse tipo de formalismo nos permite extrair explicitamente (e analiticamente) probabilidades de ocorrência de certos fenômenos dissipativos em sistemas quânticos.Assim, quantidades como a probabilidade de um fóton contido em uma cavidade óptica vazar ou interagir com o ponto quântico duplo foram calculadas para diferentes cenários, o que nos permitiu analisar sob quais condições podemos esperar certa predominância de interação no modelo.Além disso, a comparação entre os diferentes cenários nos permitiu inferir uma hierarquia entre as probabilidades de ocorrência dos possíveis eventos, o que caracteriza por completo o cenário em questão.Tais resultados podem ser vistos como um próximo passo natural daqueles obtidos anteriormente na literatura, via estatística de contagem total.