O uso de graus de liberdade da luz na realização de processos e protocolos da informação e computação quântica tem sido uma área de grande interesse. Em particular, a simulação de estados quânticos modos spin-órbita (polarização e modos transversos) de feixes lasers intensos, inclusive em estudos de correlações quânticas, como a violação das desigualdades de Bell e de Mermin, mostram que este cenário é muito rico para exploração experimental. Neste trabalho, usaremos os modos spin-órbita de modo a emular correlações quânticas, mais precisamente o emaranhamento e a discórdia. Esse estudo é feito em uma classe de estados específico, os estados-X. Esse tipo de estado é de grande interesse uma vez que engloba uma grande gama de estados muito utilizados na literatura, como é o caso dos estados de Bell, que são reconhecidos pelo emaranhamento, mas também estados de Werner, que são mistos. Realizamos a simulação de um circuito óptico que produz diferentes estados do tipo-X, utilizando os modos spin-órbita de um feixe laser intenso, simulando também o circuito de tomografia de 2 qbits para modos spin-órbita para obtenção da matriz densidade. A partir dela, realizamos cálculos de discórdia e concorrência. É a primeira vez que a discórdia é analisada para modos spin-órbita. Os resultados das simulações apresentam excelente acordo com os valores teóricos
O uso de graus de liberdade da luz na realização de processos e protocolos da informação e computação quântica tem sido uma área de grande interesse. Em particular, a simulação de estados quânticos modos spin-órbita (polarização e modos transversos) de feixes lasers intensos, inclusive em estudos de correlações quânticas, como a violação das desigualdades de Bell e de Mermin, mostram que este cenário é muito rico para exploração experimental. Neste trabalho, usaremos os modos spin-órbita de modo a emular correlações quânticas, mais precisamente o emaranhamento e a discórdia. Esse estudo é feito em uma classe de estados específico, os estados-X. Esse tipo de estado é de grande interesse uma vez que engloba uma grande gama de estados muito utilizados na literatura, como é o caso dos estados de Bell, que são reconhecidos pelo emaranhamento, mas também estados de Werner, que são mistos. Realizamos a simulação de um circuito óptico que produz diferentes estados do tipo-X, utilizando os modos spin-órbita de um feixe laser intenso, simulando também o circuito de tomografia de 2 qbits para modos spin-órbita para obtenção da matriz densidade. A partir dela, realizamos cálculos de discórdia e concorrência. É a primeira vez que a discórdia é analisada para modos spin-órbita. Os resultados das simulações apresentam excelente acordo com os valores teóricos
A codificação de bits quânticos, os qbits, em graus de liberdade internos da luz como a polarização, os modos transversos e o caminho de propagação tem recebido muita atenção ultimamente. No entanto, o qbit codificado no grau de liberdade de caminho frequentemente desempenha um papel limitado nos circuitos ópticos. Neste trabalho, será apresentado um circuito óptico linear para codificar qbits no grau de liberdade de caminhos em diferentes bases. Também, apresentamos uma representação geométrica similar a da polarização, a esfera de Poincaré do caminho, bem como a representação de esfera de Bloch para o qbit de caminho. Apresentamos também, circuitos ópticos lineares para construir as principais portas lógicas quânticas, inclusive aquelas consideradas portas universais, para o qbit de caminho de propagação do fóton. Através da analogia clássico-quântica dos chamados modos spin-órbita da luz, implementamos os circuitos ópticos com feixes intensos e reproduzimos experimentalmente a tabela verdade das portas propostas. Com a porta C-NOT para o caminho e usando a polarização como qbit de controle, produzimos estados análogos aos estados de Bell, de forma que nossos resultados podem fornecer uma nova classe de modos não separáveis da luz, o que pode contribuir para o controle e manipulação do emaranhamento entre graus de liberdade fotônicos.
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, 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 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.
Resumo Neste trabalho apresentamos a realização experimental da simulação do algoritmo de Deutsch através da montagem de um interferômetro de Mach-Zehnder, conforme proposta de Cabral e colaboradores [20]. O aparato montado permite a entrada simultânea dos dois qbits, conforme o circuito de Deutsch. Os resultados evidenciaram uma limitação desta interpretação. O interferômetro de Mach-Zehnder simula resultados de saída do circuito de Deutsch devido ao controle da diferença de fase entre os braços do interferômetro, independente do segundo qbit. Apesar do experimento ter sido realizado com um feixe intenso, mostramos a concordância dos resultados obtidos com o previsto para o caso de fótons únicos. Os resultados estão em sintonia com muitos trabalhos que utilizam feixes intensos para explorar princípios de informação e computação quântica, mostrando ser um cenário promissor para discussão e ensino de aspectos fundamentais da mecânica quântica.
Resumo: O emaranhamento entre sistemas não locais, vem gerando grande interesses nas pesquisas pois esse recurso pode ser utilizado na comunicação quântica e computação quântica distribuída Nesse trabalho propomos a geração de emaranhamento entre dois átomos (A1A2) aprisionados em uma cavidade possuída por Alice, e um único átomo (B) aprisionado em uma cavidade que está com Bob, através da interação com um campo eletromagnético no estado comprimido de dois modos injetado nas cavidades com uso de um divisor de feixe Analisamos a evolução do emaranhamento dos três átomos, devido à interação átomo campo, fazendo um traço sobre os graus de liberdade do campo Deste modo obtivemos expressões analíticas para o estado dos átomos, estado do campo, negatividade, extensão "convex-roof"da negatividade e entropia linear, como função do tempo de interação, intensidade de interação e parâmetro de compressão Esses resultados foram utilizados para o estudo da dinâmica do emaranhamento do átomo (B) com o par (A1A2) Também calculamos o emaranhamento dos átomos individuais através da "twoway" negatividade Verificamos que a quantidade de transferência de emaranhamento das variáveis contínuas do campo para os átomos depende do parâmetro de compressão, assim obtivemos o valor de parâmetro de compressão e o parâmetro de interação, que gera maior emaranhamento do átomo (B) como par (A1A2) Além disso, comparamos a entropia de Von Neumann do campo, com a entropia de Von Neumann dos átomos para verificar a transferência de emaranhamento do campo para o sitema de três átomos