La computación cuántica fotónica se ha consolidado como una de las plataformas más prometedoras para la implementación del procesamiento cuántico de información, debido a su baja decoherencia, alta velocidad operativa y compatibilidad con tecnologías ópticas ampliamente desarrolladas. Este trabajo presenta una revisión concisa de los modelos fundamentales de la computación cuántica, con énfasis en los enfoques circuitales basados en variables discretas. Se estudian dos protocolos fotónicos de relevancia histórica —los esquemas de Cerf–Adami–Kwiat (CAK) y Knill–Laflamme–Milburn (KLM)— para ilustrar las capacidades y limitaciones de las implementaciones ópticas lineales. A partir de estos fundamentos teóricos, se desarrolla una propuesta experimental para la construcción de un dispositivo fotónico capaz de realizar lógica cuántica universal mediante codificación en camino y polarización. La propuesta incluye las etapas de preparación del estado, implementación de puertas cuánticas y tomografía completa del estado cuántico. Los resultados muestran la viabilidad de construir un simulador cuántico fotónico no escalable pero completamente funcional utilizando los recursos disponibles en la Universidad de los Andes, proporcionando una plataforma práctica para futuros estudios en óptica cuántica y ciencias de la información cuántica.
La computación cuántica fotónica se ha consolidado como una de las plataformas más prometedoras para la implementación del procesamiento cuántico de información, debido a su baja decoherencia, alta velocidad operativa y compatibilidad con tecnologías ópticas ampliamente desarrolladas. Este trabajo presenta una revisión concisa de los modelos fundamentales de la computación cuántica, con énfasis en los enfoques circuitales basados en variables discretas. Se estudian dos protocolos fotónicos de relevancia histórica —los esquemas de Cerf–Adami–Kwiat (CAK) y Knill–Laflamme–Milburn (KLM)— para ilustrar las capacidades y limitaciones de las implementaciones ópticas lineales. A partir de estos fundamentos teóricos, se desarrolla una propuesta experimental para la construcción de un dispositivo fotónico capaz de realizar lógica cuántica universal mediante codificación en camino y polarización. La propuesta incluye las etapas de preparación del estado, implementación de puertas cuánticas y tomografía completa del estado cuántico. Los resultados muestran la viabilidad de construir un simulador cuántico fotónico no escalable pero completamente funcional utilizando los recursos disponibles en la Universidad de los Andes, proporcionando una plataforma práctica para futuros estudios en óptica cuántica y ciencias de la información cuántica.
En esta Tesis se presentan los resultados de implementaciones ópticas de algoritmoscuánticos, orientadas a protocolos de comunicación y procesamiento cuántico de la información. En particular, se estudiaron algoritmos cuánticos basados en entrelazamiento y se analizó la interacción del sistema cuántico en cuestión con distintos entornos ruidosos. Estas investigaciones se realizaron en forma mixta, tanto experimental como teórica, contemplando etapas de interacción del sistema con entornos controlados. Se realizaron experimentos de teleportación cuántica y distribución cuántica de claves (QKD), con el propósito de ganar experiencia en la manipulación y control de sistemas cuánticos. A partir de estos experimentos, se demostraron algoritmos eficientes y robustos ante entornos ruidosos que generan decoherencia en el recurso entrelazado. Para llevar a cabo estos experimentos, se desarrolló una fuente de pares de fotones entrelazados en polarización, basada en el proceso de conversión paramétrica descendente. La utilización de fotones como recurso físico permite la codificación de qubits en diversos grados de libertad de los mismos. En los experimentos realizados en esta Tesis, a partir de un único fotón se codificaron dos qubits en los grados de libertad de polarización y momento lineal del mismo. Para representar la interacción del sistema con un entorno local, se utilizaron los dos grados de libertad de polarización y camino para representar el sistema y el entorno, respectivamente. Estas interacciones se producen en arreglos experimentalesbasados en óptica lineal. Los arreglos experimentales diseñados e implementados permitieron un estudio versátil de los distintos protocolos propuestos, y un control sistemático de los entornos. Se estudiaron las condiciones para las cuales la dinámica del sistema era robusta frente al ruido y la acción del mismo sobre el desempeño de estos protocolos. En particular se realizó un estudio de la eficiencia del protocolo de teleportación bajo distintos tipos e intensidades de interacción con un entorno, pudiendo obtener condiciones para las cuales el sistema presenta baja sensibilidad a ciertos tipos de ruido. Asimismo, para el caso de distribución cuántica de claves, la interacción del sistema con el entorno nos permitiómodelar la acción de un espía y estudiar la seguridad de protocolos de QKD. La evolución de los sistemas cuánticos inducida por la interacción con entornos locales genera decoherecia, afectando el grado de entrelazamiento inicial y su utilización como recurso cuántico. Se estudiaron entonces distintas condiciones de ruido cuántico y su efecto sobre el entrelazamiento de un sistema, obteniendo una relación entre la "muerte del entrelazamiento" y canales efectivos capaces de romper completamente el entrelazamiento, para sistemas de dos qubits. Estos resultados permitieron anticipar qué estados pueden sufrir muerte del entrelazamiento o no para una dada evolución. Conocer de antemano el estado inicial y/o el canal cuántico que afecta el recurso entrelazado permite elegir demanera óptima los parámetros necesarios para un procesamiento cuántico eficiente de la información. La base de todos los experimentos realizados es una fuente de pares de fotones entrelazados y un arreglo óptico confiable y versátil basado en óptica lineal. El control sobre los estados fotónicos generados se realiza interferométricamente y en polarización. El dominio de estas técnicas de control de estados cuánticos es un resultado en sí mismo y el arreglo experimental desarrollado se presenta como una plataforma robusta para el estudio de la dinámica de procesos cuánticos. A modo de síntesis, entendemos que en el desarrollo de esta Tesis de Doctorado secumplieron los dos objetivos propuestos: por un lado estudiar la influencia de procesos de decoherencia e interacción con entornos en la eficiencia de algoritmos de información cuántica y por otro desarrollar herramientas ópticas para el estudio e implementación eficiente de estos algoritmos.
Esta tesis aborda el estudio y desarrollo de dispositivos ópticos integrados para la generación de fotones mediante procesos no lineales de tercer orden, con aplicaciones en el campo de la fotónica cuántica. En la actualidad, el estudio de fuentes de fotones individuales integradas ha cobrado gran relevancia debido a sus ventajas inherentes, tales como la miniaturización y la compatibilidad con las tecnologías de microfabricación derivadas de la microelectrónica. Además, el uso de materiales con propiedades no lineales, como el silicio, el nitruro de silicio y el niobato de litio, ha impulsado nuevas oportunidades en el diseño y fabricación de dispositivos fotónicos. El trabajo se divide en dos ejes principales. Por un lado, el diseño, fabricación y caracterización de dispositivos propios, eje desarrollado en el grupo de Fotónica Integrada del Centro de Investigaciones Ópticas, con la fabricación de dispositivos en el foundry CORNERSTONE. Y por otro, la caracterización de dispositivos complejos en colaboración con el Quantum Photonics Laboratory de la Universidad de Pavia, Italia. Inicialmente, se exploraron las herramientas de simulación disponibles para el diseño de dispositivos fotónicos integrados y se realizó una revisión exhaustiva del estado del arte sobre generación de fotones en plataformas fotónicas. A partir de estos estudios, se diseñaron circuitos fotónicos basados en anillos resonadores y acopladores interferométricos resonantes, optimizados para la generación de pares de fotones mediante el proceso de mezclado de cuatro ondas espontáneo (SFWM). Los dispositivos fueron fabricados utilizando tecnologías de silicio sobre aislante y nitruro de silicio, con distintas estrategias de acople y configuraciones de guías de onda. Posteriormente, se llevaron a cabo caracterizaciones experimentales tanto lineales como no lineales para evaluar la eficiencia y pureza espectral de las fuentes de fotones. Entre los resultados obtenidos, se destaca la optimización de parámetros clave, como el factor de calidad de los resonadores y la tasa de coincidencia de pares de fotones, fundamentales para aplicaciones en información cuántica.
En un principio, la Teoría de la Información fue concebida en forma abstracta, en base a una formulación matemática. Sin embargo, la habilidad y eficiencia para procesar o transmitir información dependerá en última instancia del sistema físico elegido para codificar esa información. Es así que, al codificar la información en las propiedades físicas de sistemas cuyo comportamiento se describe por las leyes de la mecánica cuántica, se abren nuevas posibilidades que son irrealizables clásicamente. Entre ellas, la posibilidad de generar algoritmos cuánticos para ciertos cálculos que requieren un número de pasos significativamente menor que cualquier algoritmo clásico, reduciendo su complejidad. Entre las características fundamentales de la mecánica cuántica que posibilitan estos desarrollos, sobresalen el principio de superposición y el entrelazamiento cuántico. Una de las implementaciones más accesibles para la comunicación cuántica y el procesamiento cuántico de la información emplea fotones individuales como portadores de la información. Estos pueden viajar entre dos estaciones distantes siendo poco afectados por el ruido que introduce el entorno. Además, poseen varios grados de libertad en los cuales es posible codificar la información y pueden manipularse con un alto grado de control utilizando tecnología estándar. En este trabajo se describen algunas aplicaciones de la implementación fotónica, realizadas en colaboración con el Laboratorio de Procesado de Imágenes (LPI) del Depto. de Física de la UBA. En primer lugar, se describe la determinación experimental de medidas de correlaciones cuánticas en estados no puros de un par de fotones correlacionados en polarización, mediante técnicas de tomografía de estados cuánticos. Luego se describe la utilización de moduladores espaciales de luz programables para entrelazar la polarización con grados de libertad espaciales, y así poder simular los denominados estados historia de evoluciones temporales cuánticas. Se muestra que este último proveeun esquema eficientepara el cálculo de promedios temporales de observables del sistema.
Las últimas dos décadas han sido testigos de tremendos avances y desarrollos en la ciencia y tecnología de la información cuántica, debido principalmente al uso de recursos físico-cuánticos, tales como la coherencia y el entrelazamiento. La formalización del concepto de computación cuántica universal por D. Deutsch en 1985 ha madurado hacia iniciativas comerciales que apuntan a acelerar la implementación física de una computadora cuántica práctica. Hasta ahora, dicha tecnología cuántica se ha impulsado como procesadores de información que se basan principalmente en bits cuánticos (qubits) superconductores. Otros desarrollos hacen uso de los estados cuánticos de los fotones en conjunción con otros registradores cuánticos basados en electrones, átomos, moléculas, sistemas artificiales, entre otros. Aunque, para cualquier caso, las tecnologías de qubit múltiples aún están bajo intensa investigación y desarrollos en los que la temperatura y el tamaño del registrador cuántico son cuestiones esenciales. Sin embargo, toda posible implementación física de dispositivos de procesamiento de información cuántica tiene en común las propiedades fundamentales de los sistemas cuánticos: interferencia, coherencia y entrelazamiento. En esta tesis, tratamos el estudio de la coherencia cuántica y el entrelazamiento en qubits (codificados en base a la polarización) y los materiales cuánticos (que operan a temperatura ambiente) para analizar el papel de las correlaciones cuánticas y la decoherencia para fines de procesamiento de información. La investigación actual se divide en dos partes principales: la primera comienza con el análisis de la influencia de un medio birrefringente sobre el entrelazamiento de un estado de qubit fotónico. Empleamos una fibra que mantiene la polarización (PMF) como un entorno de decoherencia para probar el modelo teórico en el que la simetría del acoplamiento entre el entorno y el qubit define la muerte y reactivación de las correlaciones de información. Este hallazgo establece una herramienta para mantener el entrelazamiento independiente de la longitud de la fibra empleando las propiedades de simetría del sistema físico. Como complemento, para demostrar que el entrelazamiento no es el único factor crucial en los esquemas de información, empleamos el juego del dilema del prisionero (en un espacio de estrategia de dos parámetros y extendido hasta tres) para demostrar que las ventajas cuánticas en este protocolo son debido a la superposición cuántica en lugar del entrelazamiento del sistema físico. Aquí también presentamos una configuración experimental con fotones para verificar nuestros hallazgos con qubits fotónicos. La segunda parte de la tesis examina un nuevo nanomaterial que podría servir de puente para la interacción de fotones y electrones hacia una representación física de qubits fotónicos condicionados mediante registros externos (como electrones o iones). La primera etapa en esta dirección considera la implementación de emisores de fotones individuales. Sin embargo, antes de esto es necesario reconocer las capacidades fotofísicas de las Perovskites como estructura seleccionada. Como complemento, la novedad de esta nanoestructura nos permite dar respuestas a algunas preguntas abiertas en esta dirección de caracterización en el marco de esta investigación. Las perovskitas de MA-haluro (metilamonio-haluro) están estructuralmente formadas por pequeños dominios que van desde tamaños de nano a micrómetros y que presentan una fuerte intermitencia de fotoluminiscencia (Blinking). Atribuimos esta respuesta a la recombinación noradiativa de Auger de electrones adicionales fotogenerados en un proceso de relleno de trampas ocasionadas por defectos o móvimiento de iones. Esto lo verificamos mediante la aplicación de una capa absorbente (quencher) de cargas de PCBM (fenil-éster metílico del ácido butírico C61), lo que resultó en una disminución considerable del parpadeo. También proporcionamos una técnica novedosa para la observación en tiempo real del efecto del movimiento de iones sobre este material. Adicionalmente, este comportamiento indica condiciones adecuadas para la existencia de pocos emisores que son útiles en protocolos cuánticos y se convierten en una motivación para analizar y explicar este fenómeno. Luego, preparamos dos composiciones químicas de perovskitas inorgánicas con un alto orden estructural para explorar las condiciones necesarias para producir un emisor cuántico con este material. Visualizamos las muestras a través de microscopía electrónica, y ambos sistemas se caracterizaron espectralmente para disminuir las diluciones hasta observar la intermitencia de la emisión. Se verificó el comportamiento no clásico de la emisión empleando un interferómetro Hanbury-Brown y Twiss mediante la medición del grado de función de correlación de coherencia de segundo orden. Finalmente, pero no menos importante, la información adicional presenta los laboratorios implementados durante esta investigación doctoral y el prototipo de un dispositivo de conteo de señales para analizar las coincidencias temporales en eventos fotónicos correlacionados.
Este Trabajo de Fin de Grado tiene como propósito explorar y divulgar los avances más recientes en el fascinante campo de la computación cuántica, centrándose especialmente en su integración con el aprendizaje profundo. En concreto, se analizará el prometedor enfoque de las redes neuronales cuánticas (Quantum Neural Networks, QNN). La estructura del trabajo se organiza en cuatro bloques temáticos bien diferenciados que permiten abordar de forma progresiva los conceptos clave: En primer lugar, se explican los fundamentos de las Redes Neuronales Clásicas, donde se analizan conceptos como las funciones de activación, las funciones de pérdida, el algoritmo de retropropagación y el proceso completo de entrenamiento. En segundo lugar, nos adentraremos en los pilares de la computación cuántica. Estudiaremos elementos fundamentales como el qubit y las puertas cuánticas, componentes que permiten manipular estados cuánticos. A continuación, con ambas bases teóricas establecidas, abordaremos el diseño de una red neuronal cuántica, centrando la atención en los modelos basados en circuitos variacionales. Además del desarrollo teórico se incluirán ejemplos prácticos y detallados utilizando conjuntos de datos reales. Estos casos permitirán ilustrar de manera tangible cómo se aplica una red neuronal cuántica a problemas concretos, desde la preparación de los datos hasta la interpretación de resultados. Finalmente, se expondrán las principales limitaciones y desafíos que actualmente enfrentan las redes neuronales cuánticas, incluyendo aspectos como la corrección de errores.
La informacion es un ente fisico. Los sistemas fisicos registran y procesan informacion. El reconocimiento de estos hechos desde el punto de vista de la teoria de la informacion y su relacion directa con aplicaciones a nuevas adolescentes ha sido crucial en el desarrollo reciente de la teoria tanto basica como aplicada, al mismo tiempo que de otras areas la computacion, matematicas e ingenierias, donde el reto de construir dispositivos que permiten el procesamiento de informacion a nivel cuantico es objetivo primordial. En los trabajos de Deutsch (Deutsch, 1985) y Shor (Shor, 1994), la nocion de bit clasico de la teoria de la informacion es conceptualmente extendida a un marco fisico radicalmente diferente con la introduccion del bit cuantico, donde fue demostrado que los efectos de interferencia cuantica de muchas cosas puede permitir una forma nueva y fundamental de computo, donde es posible la ejecucion de tareas computacionales, irresolubles, cuentos, como la factorizacion de numeros primos, muy grandes, o la simulacion exacta de sistemas, multipartitos, cuanticos. Asi, la investigacion en fisica de la informacion y el computo cuantico se ha convertido en un foco de desarrollo basico de la fenomenologia cuantica, analisis y revision del cual se presenta en este trabajo.
Empezar con la definicion formal de qubit, registrador cuantico, y de conjunto universal de compuertas logicas empleado en la construccion de un computador cuantico, desde la perspectiva de un modelo de computacion de rojo cuantica. A partir de este momento, se enfatiza en la versatilidad de la representacion de circuito cuantico para intrincar y desintrincar estados cuanticos. De aqui se introduce el teorema de no clonacion y sus aplicaciones a criptografia cuantica. Se describe dos alternativas a la formulacion 'tradicional' o usual de computo cuantico: i) computacion cuantica geometrica, y ii) computacion cuantica unidireccional. Se realiza la caracterizacion, y cuantificacion de intrincamiento cuantico, en particular de sus usos como recurso fisico en protocolos de comunicacion cuentos cuanticos como teleportacion, criptografia, codificacion superdensa, y compresion de datos. Se introduce el concepto de paralelismo cuantico de aleman y se analiza su aplicacion a la capacidad eficiente de tareas algoritmicas irresolubles clasicamente La decoherencia cuantica se presenta como proceso inherente y central en el procesamiento de informacion cuantica. Se plantean mecanismos para corregirla o evitarla, en particular, se analiza en detalle el proceso de correccion de errores cuanticos. Finalmente, se describen algunas de las implementaciones fisicas de computo y comunicacion cuantica, y de la forma como un qubit puede ser poseido fisicamente en una gran variedad de nanosistemas.