O papel das medidas de complexidade tem se tornado cada vez mais claro na extensão da compreensão que se tem sobre sistemas complexos. Todavia, apesar do grande número de medidas propostas para capturar tais características em sistemas clássicos, para sistemas quânticos somente vê-se extensões da complexidade algorítmica de Kolmogorov. Assim, propõe-se neste trabalho a extensão de três medidas de complexidade pelo uso do ferramental da teoria da informação quântica para torná-las capazes de compreender a quantificação da complexidade de estados quânticos. Resultados mostram que alguns fenômenos observados em sistemas complexos clássicos estão presentes em estados bipartite e tripartite de qubits e estão intimamente ligados com a presença de entrelaçamento nos mesmos. Tanto comprovação de conceitos já conhecidos como indícios de novos fenômenos foram observados, ambos com possíveis aplicações tecnológicas.
O papel das medidas de complexidade tem se tornado cada vez mais claro na extensão da compreensão que se tem sobre sistemas complexos. Todavia, apesar do grande número de medidas propostas para capturar tais características em sistemas clássicos, para sistemas quânticos somente vê-se extensões da complexidade algorítmica de Kolmogorov. Assim, propõe-se neste trabalho a extensão de três medidas de complexidade pelo uso do ferramental da teoria da informação quântica para torná-las capazes de compreender a quantificação da complexidade de estados quânticos. Resultados mostram que alguns fenômenos observados em sistemas complexos clássicos estão presentes em estados bipartite e tripartite de qubits e estão intimamente ligados com a presença de entrelaçamento nos mesmos. Tanto comprovação de conceitos já conhecidos como indícios de novos fenômenos foram observados, ambos com possíveis aplicações tecnológicas.
O papel das medidas de complexidade tem se tornado cada vez mais claro na extensão da compreensão que se tem sobre sistemas complexos. Todavia, apesar do grande número de medidas propostas para capturar tais características em sistemas clássicos, para sistemas quânticos somente vê-se extensões da complexidade algorítmica de Kolmogorov. Assim, propõe-se neste trabalho a extensão de três medidas de complexidade pelo uso do ferramental da teoria da informação quântica para torná-las capazes de compreender a quantificação da complexidade de estados quânticos. Resultados mostram que alguns fenômenos observados em sistemas complexos clássicos estão presentes em estados bipartite e tripartite de qubits e estão intimamente ligados com a presença de entrelaçamento nos mesmos. Tanto comprovação de conceitos já conhecidos como indícios de novos fenômenos foram observados, ambos com possíveis aplicações tecnológicas.
A Computação e Informação Quânticas (CQ e IQ) têm sido campo de intensos estudos nas últimas décadas. Uma propriedade de extrema utilidade nesta área é o emaranhamento de partículas, cujas discussões teóricas tiveram início em 1935 a partir de um artigo publicado por Einstein, Podolski e Rosen [1]. Essa propriedade surge como uma conseqüência da teoria quântica e assegura que partículas mesmo separadas espacialmente de forma não causal, carregam em sua natureza a propriedade do todo. Numa linguagem mais coloquial, a totalidade do estado representativo das partículas não pode ser construída das suas partes, individualmente. Além dos aspectos puramente acadêmicos, a classificação e a quantificação do emaranhamento são indispensáveis para sua utilização na proposta de utilização tecnológica. Neste trabalho fizemos um estudo sobre alguns dos mais utilizados critérios de separabilidade para a detecção do emaranhamento e de alguns quantificadores desta propriedade tanto para estados bipartites, como para os casos multipartites. Além disso, a dinâmica do emaranhamento em estados GHZ e W nos canais quânticos de atenuação de fase, depolarização e amortecimento de amplitude generalizado foi estudada através de uma adaptação explícita do critério de separabilidade PPT para estados multipartites e com o uso medida de Schmidt. No caso dos estados GHZ, confirmamos os resultados encontrados em [2].
Alguns fenômenos são exclusivos de sistemas quânticos, ou seja, não possuem contrapartida na mecânica clássica. Dois exemplos muito discutidos nos últimos anos são o emaranhamento e a não localidade, ambos relacionados com a existência de estados não separáveis. A superposição de estados quânticos é outra característica que merece destaque. Quando dois eventos são descritos por estados não ortogonais, o fato de estes se sobreporem implica na inexistência de um processo capaz de distingui-los. O princípio da superposição aliado ao processo de medição local em sistemas quânticos compostos resulta em uma nova classe de correlações sem contrapartida no mundo clássico e que vai além do emaranhamento. Essas correlações puramente quânticas recebem o nome de quantumness of correlations, e são o assunto principal desta tese. Estudamos três abordagens diferentes para as correlações puramente quânticas. Primeiramente definimos uma medida geométrica para quantificar essas correlações baseada na norma Schatten-p, a qual contém a norma do traço, norma de Hilbert-Schmidt e norma de operador. Demonstramos que essa medida de correlações é limitada inferiormente pelo emaranhamento, quando este é calculado via testemunhas de emaranhamento. A segunda abordagem das correlações puramente quânticas se deu no contexto de informação acessível e discriminação de estados quânticos. Sabe-se que, devido a superposição, estados quânticos só podem ser perfeitamente distinguidos quando são ortogonais. Sendo assim para um ensemble finito de estados quânticos existe uma quantidade máxima de informação que pode ser extraída pelo processo de medição. A quantidade de informação acessível é limitada pela cota de Holevo, e atingirá a igualdade apenas quando os estados forem ortogonais. Esse limite na quantidade de informação acessível está relacionada a incapacidade de se distinguir estados quânticos pelo processo de medição. Nosso estudo consiste em investigar a capacidade de se extrair informação, bem como em se distinguir os estados de um dado ensemble, quando restringimos o processo de medição a medições projetivas. A restrição a medição projetiva, bem como a generalização a POVMs pode ser abordada via teorema de Naimark, que atesta que uma POVM pode ser descrito como uma medição projetiva em um espaço de dimensão maior. O processo de "embeber" o estado em um espaço de dimensão maior pode ser feito, por exemplo, acoplando uma ancila ao estado. Processo este que não gera correlações entre o sistema e a ancila. Nosso principal objetivo é estudar as correlações nesse contexto para entender como elas são afetadas pelo processo de embeber o estado em um espaço de dimensão maior, uma vez que isto generaliza a forma de medição a ser realizada no sistema. Por fim estudamos correlações quânticas no contexto de partículas indistinguíveis. Obtemos uma medida de emaranhamento para sistemas fermiônicos: a versão fermiônica da robustez generalizada de emaranhamento. Nós também introduzimos o conceito de correlações puramente quânticas para partículas indistinguíveis, obtemos quem são os estados sem correlações puramente quânticas a partir do protocolo de ativação. Como esses estados são um subconjunto dos estados separáveis, podemos garantir quais estados não são emaranhados, pois não possuem nem mesmo correlações puramente quânticas. Calculamos também uma medida dessas correlações para sistemas fermiônicos e bosônicos.
O emaranhamento, um dos fenômenos mais intrigantes da mecânica quântica, tornou- se uma grandeza chave que desempenha papel fundamental em vários tipos de processamento de informação quântica, por exemplo, tanto em protocolos de computador quântico e em estudos de nanoestruturas, como na detecção de transições de fase quântica e na investigação de propri- edades de transporte. Assim, é fundamental determinar medidas adequadas para quantificar o grau de emaranhamento em um determinado sistema, bem como compreender seus benefícios e limitações. Este trabalho tem como objetivo comparar duas ferramentas utilizadas para medir o grau de emaranhamento, a entropia de von Neumann e a entropia linear. Essas grandezas foram investigadas em sistemas homogêneos e em superredes unidimensionais, descritos pelo modelo de Hubbard através dos métodos de DMRG (Grupo de Renormalização da Matriz Densidade) e DFT (Teoria do Funcional da Densidade). Encontramos diferenças na sensibilidade das duas medidas de emaranhamento às transições de fase quânticas.
Inicialmente, os conceitos fundamentais e a problemática básica subjacentes ao Controle de Sistemas Quânticos são apresentados, destacando-se, por exemplo, as questões físicas e dinâmicas envolvidas, os principais tipos e metodologias de controle no contexto quântico, bem como aplicações existentes e potenciais de Controle Quântico, muitas das quais situando-se na vanguarda da Ciência e da Tecnologia. Segue-se uma exposição do arcabouço teórico básico e do formalismo padrão da Mecânica Quântica, tendo em vista prover os elementos necessários à compreensão de sistemas quânticos, sua dinâmica e seu controle. O conceito de Controlabilidade é, então, apresentado no contexto de Sistemas Quânticos. Em seqüência, os fundamentos do Controle Quântico Ótimo são desenvolvidos como uma extensão da Teoria Clássica de Controle Ótimo, apresentando-se exemplos de aplicações. Ao problema da transferência de estados quânticos para um estado-alvo em tempo mínimo é devotada especial atenção, dada sua grande relevância em aplicações tecnológicas de ponta, como em Computação Quântica e Processamento de Informação Quântica. A partir de limitações físicas que são inerentes a qualquer sistema quântico, no tocante ao tempo mínimo necessário para que ocorra uma transição de estados, propõem-se Fatores de Mérito para quantificar a eficiência dos controles quânticos ótimos que minimizam o tempo de transferência de estados. Exemplos de aplicação, estudos teóricos e estudos de casos são levados a cabo para a definição dos Fatores de Mérito associados. Este trabalho termina com estudos relativos a uma possível formulação da Teoria de Controle Quântico Ótimo em termos de Integrais de Trajetória para o tratamento de sistemas quânticos contínuos, em especial, o controle espaço-temporal de partículas quânticas. Um possível emprego do Efeito Aharonov-Bohm é também discutido como estratégia de Controle Quântico.
A computação quântica vem se destacando como uma das inovações tecnológicas mais relevantes do século XXI, oferecendo novas abordagens para o processamento de informações e apresentando desempenho superior à computação clássica em problemas de alta complexidade. Baseada nos fundamentos da mecânica quântica, especialmente nos princípios de superposição e entrelaçamento, essa tecnologia possibilita representar e manipular múltiplos estados de informação de forma simultânea. Considerando sua importância crescente na ciência e na engenharia, este trabalho tem como objetivo analisar o estado atual, os desafios e as principais aplicações da computação quântica, com ênfase em suas repercussões em áreas estratégicas como a segurança digital, a inteligência artificial e a simulação de materiais. A pesquisa foi conduzida por meio de uma revisão bibliográfica. Os resultados mostram que a computação quântica tende a redefinir os limites da ciência computacional, abrindo novas possibilidades em campos como a criptografia, o aprendizado de máquina e as ciências dos materiais. Observou-se, contudo, que a consolidação dessa tecnologia ainda depende da superação de obstáculos técnicos, como a instabilidade dos qubits, os processos de correção de erros e a escalabilidade dos sistemas. Conclui-se que o avanço da computação quântica requer a integração entre pesquisa científica, desenvolvimento tecnológico e formação interdisciplinar, fatores indispensáveis para que essa área se firme como base dos sistemas computacionais do futuro.