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 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.
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 presente tese pode ser dividia em tres partes: I) Protocolos de comunicacao quântica Segura
Direta (QSDC). II) Deteccao homodina de fotons. III) Polarizacao quântica da luz. No que diz
respeito aos protocolos de QSDC, tres novos esquemas opticos foram propostos. Estes
protocolos utilizam a distribuicao espectral das fontes luminosas e o uso de moduladores de
fase dependentes da frequencia para aumentar a seguranca. No que concerne a deteccao de
fotons, foi realizado um experimento de deteccao homodina de fotons. Nesse experimento
mostrou-se que o sinal analogico transportado por um estado coerente fortemente atenuado
pode ser recuperado por um receptor optico baseado em um fotodiodo PIN. Por fim, na parte
de polarizacao quântica da luz foi proposta uma nova medida de grau de polarizacao baseada
na entropia de Shannon, bem como foi feito o calculo do grau de polarizacao de estados
continuos de um foton e coerentes. Foram tambem realizados dois experimentos para estimar
o grau de polarizacao atraves da medicao da visibilidade de polarizacao. Duas situacoes foram
consideradas: o uso de um canal despolarizante e o laser semicondutor trabalhando em
diferentes regimes de operacao.
Em 1993, Bennett et al. [1] postularam o processo de teletransporte de um estado quântico através do uso de dois canais de comunicação, um canal clássico e outro formado por um par de sistemas emaranhados. Na área de óptica quântica, várias realizações experimentais deste teletransporte foram relatadas [2, 3, 4], tanto no domínio de variáveis contínuas como discretas. Recentemente, foi medido emaranhamento no domínio de variáveis contínuas entre feixes de luz intensos de cores distintas [5, 6, 7]. Utilizando feixes com estas características como canal de comunicação quântico, apresentamos uma proposta para o primeiro teletransporte de informação quântica com troca de informação no domínio de variáveis contínuas entre campos de cores distintas. Resultados experimentais em direção à realização da proposta foram alcançados. Os moduladores eletro-ópticos, necessários na construção e reconstrução dos estados quânticos da luz, foram caracterizados. Quatro cavidades ópticas foram construídas, com requerido pelo protocolo para feixes de luz de cores distintas. Um oscilador paramétrico óptico (OPO) foi construído para a gerar os feixes correlacionados. No entanto, ele apresentou resultados insatisfatórios, atribuídos a um defeito no cristal não linear. Por isso, um OPO com novo cristal e novos espelhos foi projetado e se encontra em fase de construção. Por fim, um tratamento teórico adequado às particularidades da proposta experimental é apresentado.
A teoria dos algoritmos quânticos promete benefícios sem precedentes ao utilizar as leis da mecânica quântica para resolver certos problemas computacionais. Entretanto, alguns desafios impedem que tais vantagens se apliquem a todos os algoritmos quânticos. Entre esses desafios está o desenvolvimento de uma codificação eficiente de dados clássicos em um estado quântico. Em aplicações práticas, o custo para carregar a informação clássica em um dispositivo quân- tico pode dominar o custo computacional assintótico do algoritmo. Foram propostos diversos métodos baseados em circuitos para codificar dados clássicos nas amplitudes de probabilidade de um estado quântico. Entretanto, esses métodos produzem circuitos com complexidade que cresce linearmente com o tamanho do dado, anulando o benefício da aplicação quântica. O objetivo principal deste trabalho é reduzir a complexidade computacional dos circuitos para a inicialização de estados quânticos. As duas estratégias utilizadas para alcançar tal objetivo exploram a troca de complexidade temporal por espacial ou a transferência de complexidade computacional para um computador clássico. A primeira estratégia reinterpreta métodos al- gébricos para a decomposição de estados quânticos como caminhadas ao longo de árvores binárias. A segunda investiga o grau de emaranhamento de bipartições do estado quântico através da decomposição de Schmidt. Os métodos baseados em árvore alcançam uma redução exponencial na profundidade dos circuitos, em comparação às abordagens existentes. Os base- ados na decomposição de Schmidt produzem circuitos de complexidade variável, proporcional ao emaranhamento do estado. A perspectiva é que o resultado desta tese auxilie os profissionais da computação quântica durante a era dos dispositivos ruidosos de escala intermediária.
Os algoritmos quânticos variacionais têm se destacado como uma maneira de obter vantagem quântica no atual estado da arte da computação quântica, a chamada era NISQ (escala quântica intermediária com ruídos). A estrutura destes algoritmos consiste em estrategicamente combinar processamento quântico (circuito parametrizado) com otimização clássica, conectados por meio de uma função custo que norteia a otimização dos parâmetros. Neste trabalho damos principal enfoque nos circuitos parametrizados inicialmente na tarefa de detecção de emaranhamento em cadeias de spin-1/2 descritas pelo Hamiltoniano de Heisenberg com interações de primeiros vizinhos e ausência de campo externo, via testemunha de emaranhamento, em que dois circuitos são utilizados em conjunto nesta tarefa, sendo um totalmente separável, enquanto outros com capacidade de gerar emaranhamento. Utilizando estes mesmos circuitos, buscamos obter o conjunto de parâmetros ideais para preparar o estado fundamental destes mesmos Hamiltonianos, os quais consideramos de 2 a 15 q-bits. Outro resultado consiste em uma proposta de extração de trabalho em baterias quânticas descritas como uma cadeia de spin-1/2 com interações de primeiros vizinhos, considerando várias configurações dos termos de anisotropia. Utilizamos circuitos parametrizados com diferentes topologias (conexão entre os q-bits definida por portas de 2 q-bits) para obter a ergotropia nestes sistemas. Neste resultado da ergotropia, consideramos sistemas com 2 a 8 q-bits.
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