Nesta tese de doutoramento nós tivemos como principal objetivo desenvolver novos métodos para proteção da informação e computação quântica. Começamos, de forma introdutória, ilustrando os conceitos básicos e fundamentais da teoria da informação e computação quântica, como os bits quânticos (qubits), o operador densidade, o emaranhamento e as operações lógicas quânticas. Na seqüência, apresentamos os formalismos utilizados para tratar sistemas abertos, ou seja, sujeitos a erros, além das principais técnicas existentes a fim de proteger a informação quântica, como os códigos de correção de erros, os subespaços livres de erros e o desacoplamento dinâmico. Finalmente, baseando-nos na técnica de desacoplamento dinâmico, introduzimos um esquema de proteção para operações lógicas quânticas e o emaranhamentos entre qubits utilizando campos de alta freqüência. Ilustramos em detalhes a proteção da operação lógica quântica de Hadamard e do emaranhamento entre dois qubits, além de apresentarmos as principais diferenças e vantagens de nosso método quando comparado às técnicas tradicionais de desacoplamento dinâmico.
Nesta tese de doutoramento nós tivemos como principal objetivo desenvolver novos métodos para proteção da informação e computação quântica. Começamos, de forma introdutória, ilustrando os conceitos básicos e fundamentais da teoria da informação e computação quântica, como os bits quânticos (qubits), o operador densidade, o emaranhamento e as operações lógicas quânticas. Na seqüência, apresentamos os formalismos utilizados para tratar sistemas abertos, ou seja, sujeitos a erros, além das principais técnicas existentes a fim de proteger a informação quântica, como os códigos de correção de erros, os subespaços livres de erros e o desacoplamento dinâmico. Finalmente, baseando-nos na técnica de desacoplamento dinâmico, introduzimos um esquema de proteção para operações lógicas quânticas e o emaranhamentos entre qubits utilizando campos de alta freqüência. Ilustramos em detalhes a proteção da operação lógica quântica de Hadamard e do emaranhamento entre dois qubits, além de apresentarmos as principais diferenças e vantagens de nosso método quando comparado às técnicas tradicionais de desacoplamento dinâmico.
Nesta tese de doutoramento nós tivemos como principal objetivo desenvolver novos métodos para proteção da informação e computação quântica. Começamos, de forma introdutória, ilustrando os conceitos básicos e fundamentais da teoria da informação e computação quântica, como os bits quânticos (qubits), o operador densidade, o emaranhamento e as operações lógicas quânticas. Na seqüência, apresentamos os formalismos utilizados para tratar sistemas abertos, ou seja, sujeitos a erros, além das principais técnicas existentes a fim de proteger a informação quântica, como os códigos de correção de erros, os subespaços livres de erros e o desacoplamento dinâmico. Finalmente, baseando-nos na técnica de desacoplamento dinâmico, introduzimos um esquema de proteção para operações lógicas quânticas e o emaranhamentos entre qubits utilizando campos de alta freqüência. Ilustramos em detalhes a proteção da operação lógica quântica de Hadamard e do emaranhamento entre dois qubits, além de apresentarmos as principais diferenças e vantagens de nosso método quando comparado às técnicas tradicionais de desacoplamento dinâmico.
Nesta dissertação estudamos, no âmbito teórico, algumas propostas recentes de processamento de informação quântica passiva, isto é, descartando protocolos de correção de erros. Recorrendo à criação de subespaços livres de decoerência através de um sistema físico de quatro spins acoplados ao resto do universo por um agente degenerado, mostramos ser possível construir um conjunto universal de portas lógicas (C-NOT, T e Hadamard) neste mesmo subespaço, alcançando, por conseguinte, a realização de qualquer operação computacional, insensivelmente ao resto do universo. Partimos de um hamiltoniano geral com interações individuais de cada spin com campos externos, além de acoplamentos controlados entre pares de spins. Experimentalmente, hamiltonianos deste tipo são comuns no contexto de junções Josephson, motivo pelo qual tratamos esta implementação em um capítulo especial. Introduzindo perturbativamente ao hamiltoniano operadores espúrios ao subespaço livre de decoerência, incluímos sensibilidade do sistema frente ao ambiente, criando a possibilidade da incursão de erros através de mecanismos de dissipação. Tais mecanismos foram investigados em termos da intensidade do parâmetro de acoplamento entre o sistema e o ambiente, revelando uma clara evidência teórica do Efeito Zenão Quântico, através da excelente concordância entre resultados de operações realizadas em subespaços livres de decoerência e operações realizadas em sistemas fortemente acoplados ao resto do universo. Neste sentido, selecionamos a fidelidade como medida de distância entre um estado em evolução a partir de um certo estado inicial do subespaço livre de decoerência (e submetido a dissipação), e um estado em evolução regida pela mesma operação quântica e a partir das mesmas condições iniciais no caso ideal, livre de decoerência. Essa abordagem explícita permitiu-nos obter a razão necessária entre os parâmetros associados a perturbação (que remove o estado do subespaço original) e acoplamento (entendido como a freqüência entre as medidas promovidas pelo resto do universo), para alcançar a eficiência desejada na realização de uma certa porta lógica. Tecnicamente, o trabalho envolveu vários resultados matemáticos novos e operacionalmente úteis, levando a simplificações importantes durante os cálculos envolvidos.
Erros computacionais e apagamentos quânticos são tipos de alterações que podem ocorrer naturalmente devido a interação entre os sistemas quânticos e o ambiente. O objetivo desta tese é propor um código capaz de realizar a proteção da informação contra a ocorrência desses tipos de alterações. Para tanto, primeiramente resolveu-se o problema de encontrar uma construção explícita que realize, de maneira eficiente, o cálculo da síndrome de erro para os códigos grafos quânticos (CGQ’s). Isso foi conseguido mediante adaptação da transformada de Fourier quântica inversa. Com isso, apresentou-se uma descrição detalhada da operação de decodificação para os CGQ’s não-degenerados. Em seguida, realizou-se o aprimoramento do código introduzido por Yang et al. [JETP Letters 79 (2004)] para caracterizar um esquema capaz de proteger a informação contra a ocorrência de múltiplos apagamentos quânticos utilizando-se estados Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ), que são estados maximamente emaranhados. A técnica desenvolvida neste esquema permite proteger k-qubit (do inglês, quantum bit) de informação, sendok ≥ 3, contra a ocorrência det =k/2 apagamentos quânticos. O esquema proposto faz uso de(t+1) blocos redundantes e possui a restrição de que cada apagamento deve ocorrer em blocos distintos. Visando cumprir o objetivo desta tese, propôs-se um esquema de concatenação em que o código externo é um código corretor de erros computacionais e o código interno é um código corretor de apagamentos quânticos que não realiza medição. Se esta construção for respeitada, o código concatenado resultante protege a informação contra a ocorrência de erros computacionais e de apagamentos quânticos. Por fim, os resultados obtidos são ilustrados por meio de um exemplo em que um qubit de informação é protegido contra a ocorrência de dois apagamentos e um erro computacional.
Nessa dissertação, abordamos o problema de dois qubits interagindo com campos externos e entre si controladamente, de acordo com um Hamiltoniano considerado realista para implementação da porta lógica quântica XOR. Introduzimos acoplamentos entre as observáveis do sistema de dois qubits e um banho de osciladores harmônicos a fim de tratarmos o problema da dissipação e da decoerência. Primeiramente nós consideramos o limite no qual a decoerência é mais rápida que qualquer processo gerado pelo Hamiltoniano do sistema. Prosseguimos então, através do método numérico conhecido como Integrador Unitário, com o estudo da matriz densidade do sistema durante a operação da porta lógica quântica sem incluir, inicialmente, o acoplamento com o banho de osciladores harmônicos. Finalmente, implementamos o método numérico conhecido como Propagador quase adiabático para estudar a decoerência e a dissipação durante a operação da porta lógica quântica XOR, a fim de analisarmos os aspectos perturbativos do sistema quântico de dois qubits.
Os computadores quânticos são dispositivos de enorme interesse para a comunidade científica. Em um computador clássico a informação é processada através de bits, que assumem valores 0 ou 1. O análogo em um computador quântico são os qubits, que podem assumir qualquer combinação de dois estados 0 e 1. Para evitar a perda de informação antes que a medida final seja feita é necessário proteger os qubits de ruídos externos e um dos métodos usados para tal feito é o desacoplamento dinâmico contínuo. O objetivo deste trabalho é estudar uma extensão deste método para qudits (sistemas quânticos de dimensão d), assim como simularmos a implementação prática do método em um caso de qutrits (d = 3), usando a estrutura hiperfina do nível fundamental o átomo de 87Rb, mostrando que, neste caso, é possível realizar continuamente qualquer operação do grupo de simetria SU(3) com alta fidelidade.
Nesta dissertação estudamos, no âmbito teórico, algumas propostas recentes de processamento de informação quântica passiva, isto é, descartando protocolos de correção de erros. Recorrendo à criação de subespaços livres de decoerência através de um sistema físico de quatro spins acoplados ao resto do universo por um agente degenerado, mostramos ser possível construir um conjunto universal de portas lógicas (C-NOT, T e Hadamard) neste mesmo subespaço, alcançando, por conseguinte, a realização de qualquer operação computacional, insensivelmente ao resto do universo. Partimos de um hamiltoniano geral com interações individuais de cada spin com campos externos, além de acoplamentos controlados entre pares de spins. Experimentalmente, hamiltonianos deste tipo são comuns no contexto de junções Josephson, motivo pelo qual tratamos esta implementação em um capítulo especial. Introduzindo perturbativamente ao hamiltoniano operadores espúrios ao subespaço livre de decoerência, incluímos sensibilidade do sistema frente ao ambiente, criando a possibilidade da incursão de erros através de mecanismos de dissipação. Tais mecanismos foram investigados em termos da intensidade do parâmetro de acoplamento entre o sistema e o ambiente, revelando uma clara evidência teórica do Efeito Zenão Quântico, através da excelente concordância entre resultados de operações realizadas em subespaços livres de decoerência e operações realizadas em sistemas fortemente acoplados ao resto do universo. Neste sentido, selecionamos a fidelidade como medida de distância entre um estado em evolução a partir de um certo estado inicial do subespaço livre de decoerência (e submetido a dissipação), e um estado em evolução regida pela mesma operação quântica e a partir das mesmas condições iniciais no caso ideal, livre de decoerência. Essa abordagem explícita permitiu-nos obter a razão necessária entre os parâmetros associados a perturbação (que remove o estado do subespaço original) e acoplamento (entendido como a freqüência entre as medidas promovidas pelo resto do universo), para alcançar a eficiência desejada na realização de uma certa porta lógica. Tecnicamente, o trabalho envolveu vários resultados matemáticos novos e operacionalmente úteis, levando a simplificações importantes durante os cálculos envolvidos.