Investigamos la decoherencia de un centro nitrógeno-vacancia (NV) en el diamante debido al baño mesoscópico de 13C en las próximas esferas de coordinación. Para ello, se hace un estudio sobre la teoría que conforma al NV, analizando las propiedades que lo distinguen como excelente candidato a computador cuántico. Se estudia el modelo spin central Heisenberg XY uniforme con el cual se demuestra propiedades que tiene el tamaño del baño y el tiempo sobre la decoherencia. Posterior se hace un estudio riguroso sobre el método estocástico conformado por saltos estocásticos y evolución unitaria (PDP) y se comprueba su exactitud sobre el modelo previamente estudiado. Finalmente, se aplica este método sobre el sistema NV. Se encuentra que la decoherencia depende directamente sobre el número de núcleos adyacentes, dando tiempos de coherencia menores entre el numero de estos es mayor en una misma esfera de coordinación. Se encuentra además que la decoherencia tiene que ser estudiada con los términos isotrópicos y dipolares, por lo cual las aproximaciones no son válidas en estas esferas de coordinación. La presencia de un campo magnético tiene distintos efectos sobre la coherencia, marcando una distinción de campos grandes, intermedios y pequeños, cada uno mostrando efectos distintos en la evolución de la coherencia. Las posiciones de los núcleos pueden llevar a dar tiempos de coherencia menores para la quinta esfera de coordinación que para la tercera. Los resultados obtenidos pueden ser usados para contrarrestar efectos de decoherencia en sitios donde el NV pueda ser usado como registrador cuántico.
En el presente trabajo se aborda un estudio general de la decoherencia cuántica, entendiendo por general que no se centra en el análisis de un modelo particular. El estudio de la decoherencia ha adquirido, recientemente, una gran importancia en la computación cuántica, donde el fenómeno de la decoherencia representa un gran obstáculo para implementación de hardware para procesamiento de la información. Por otro lado, la decoherencia juega un papel esencial en el límite clásico y en la emergencia del comportamiento clásico en sistemas cuánticos. Por este motivo la comprensión del fenómeno de la decoherencia y el desarrollo de formalismos matemáticos para estudiarla son esenciales. De acuerdo con los trabajos de Zurek et al., la decoherencia es un proceso que resulta de la interacción entre un sistema cuántico abierto y su ambiente (EID). Este proceso determina cuál es la base privilegiada, que define los observables que adquieren características clásicas y pueden interpretarse como propiedades que obedecen a la lógica booleana. Recientemente Castagnino et al señalaron la conveniencia de tomar en cuenta tres aspectos de la teoría: (i) la posibilidad de estudiar la decoherencia de sistemas cerrados (sin ambiente), (ii) el criterio para determinar cuál es el subsistema que decohere, y (iii) el cálculo de la base privilegiada móvil. Por otro lado, en la bibliografía se encuentran otros enfoques para describir tanto la decoherencia como la relajación de los sistemas cuánticos. Tal es el caso de los trabajos de Castagnino et al., según el cual la relajación es un proceso que resulta de la elección de los observables que tienen relevancia física en un sistema cerrado (SID), y que define los observables que adquieren características clásicas y pueden interpretarse como propiedades que obedecen a la lógica booleana. La existencia de ambos enfoques aporta puntos de vista distintos acerca de los fenómenos físicos de la decoherencia y de la relajación. En esta tesis se presenta una perspectiva basada en valores medios, que cambia el foco de interés del operador de estado a los valores medios. Dicha perspectiva da lugar a un esquema general que unifica los enfoques anteriores de decoherencia y relajación, sobre el cual se espera seguir trabajando para la incorporación de otros enfoques. Esta perspectiva, además, permite reconsiderar los tres aspectos señalados anteriormente: (i) incorpora el estudio de sistemas sin ambiente, (ii) explicita el carácter relativo de la decoherencia respecto de la elección de los observables relevantes y permite definir al "mundo" clásico emergente como un conjunto de observables, y (iii) provee caracterizaciones alternativas del tiempo de decoherencia y de la base privilegiada móvil. Por otro lado, se presentan aportes de naturaleza técnica sobre aspectos de la decoherencia, en particular se propone una técnica que permite calcular los tiempos de decoherencia y relajación a partir de la extensión analítica de funciones que dependen del Hamiltoniano.
El estudio de la estructura de los estados cuanticos proporciona una informacion muy valiosa sobre la aplicabilidad de la mecanica cuantica a las comunicaciones, la criptografia y la computacion, asi como al estudio de la fisica de la materia condensada. Por ejemplo, muestra las restricciones fisicas a las maneras en las que un estado cuantico puede ser utilizado y nos permite decidir que estados son equivalentes salvo por operaciones locales. Por tanto, es crucial para cualquier analisis de las propiedades y las aplicaciones de los estados cuanticos.
Esta tesis doctoral esta dedicada al estudio de la interaccion entre las simetrias de los estados cuanticos y sus propiedades de auto-similaridad. Consiste en tres hilos de investigacion interconectados: el estudio de invariantes polinomicos para estados multi-fotonicos, esquemas de visualizacion para sistemas cuanticos de muchos cuerpos y un enfoque basado en redes complejas a los caminos cuanticos sobre un grafo.
En primer lugar estudiamos el problema de que estados multi-fotonicos son equivalentes bajo la accion de optica lineal pasiva. Hemos demostrado que puede reformularse como un problema de equivalencia entre dos estados simetricos bajo permutaciones, aunque no necesariamente bajo la misma accion sobre todas sus partes. Mostramos que el problema puede ser formulado en terminos de simetrias depolinomios complejos en varias variables, y proporcionamos dos familias de invariantes sencillos de calcular que permiten la obtencion de resultados analiticos. Mas aun, probamos que ciertos estados de alta simetria (estados singlete implementados con fotones) proporcionan dos niveles de robustez - contra la decoherencia colectiva y contra la perdida de un foton. De manera adicional, damos dos propuestas experimentales, con equipo optico factible con la tecnologia actual: uno relacionado con la medida directa de una familia de invariantes usando contadores de fotones, y el otro para proteger informacion cuantica empleando las simetrias del estado.En segundo lugar estudiamos una familia de esquemas de visualizacion recursivos para sistemas de muchas particulas para la que hemos acunado el termino ``qubismo''. Si bien todos los estados de muchos qudits pueden ser representados con el qubismo, el esquema es especialmente util para cadenas de spines y sistemas unidimensionales invariantes por traslacion. Esta simetria da lugar a cierta auto-similaridad en las graficas, haciendolas mas comprensibles y facilitando el descubrimiento de ciertas estructuras en ellas. Este esquema de visualizacion permite la comparacion de estados con diferente numeros de particulas (que puede ser util en simulaciones numericas cuando este es un parametro abierto) y pone el enfasis en las correlaciones entre particulas vecinas. El esquema de visualizacion puede ser empleado para graficar distribuciones de probabilidad de secuencias, e.g. relacionadas con series de nucleotidos de ARN y ADN, o aminoacidos en proteinas. Sin embargo, a diferencia de las colectividades probabilisticas de secuencias, la visualizacion de estados cuanticos ofrece mas: mostrar el entrelazamiento cuantico y permitir la observacion de transiciones de fase.