Se estudia en este trabajo la capacidad de generar entrelazamiento de una cadena de espines con acoplamiento de Heisenberg XY y un campo magnetico uniforme a partir de un estado inicial en el que los espines estan completamente alineados. Se encuentra que la capacidad de generar estados entrelazados no muestra un comportamiento monotono con el campo presentando, en cambio, plateaus y resonancias. Tambien se muestra que, a pesar de que la anisotropia es necesaria para que se generen estados entrelazados, una mayor anisotropia no implica necesariamente mejores condiciones para generar entrelazamiento que sirva para usarse en una computadora cuantica. Inclusive, se observa que, se genera una cantidad finita de entrelazamiento en el limite de pequena anisotropia. (The maximum entanglement reached by an initially fully aligned state evolving in a XY Heisenberg spin chain placed in a uniform transverse magnetic field is studied. It is shown that the capacity to create entangled states (both of one qubit with the rest of the chain and pairwise between two adjacent qubits) is not a monotonous function of the magnetic field: it presents plateaus and resonances. It is also shown that, though anisotropy in the interaction is necessary for entanglement generation, the best conditions for generating entanglement that may be suitable for use in quantum computation is not that of biggest anisotropy. Moreover finite amounts of entanglement are generated in the small anisotropy limit.)
Se estudia en este trabajo la capacidad de generar entrelazamiento de una cadena de espines con acoplamiento de Heisenberg XY y un campo magnetico uniforme a partir de un estado inicial en el que los espines estan completamente alineados. Se encuentra que la capacidad de generar estados entrelazados no muestra un comportamiento monotono con el campo presentando, en cambio, plateaus y resonancias. Tambien se muestra que, a pesar de que la anisotropia es necesaria para que se generen estados entrelazados, una mayor anisotropia no implica necesariamente mejores condiciones para generar entrelazamiento que sirva para usarse en una computadora cuantica. Inclusive, se observa que, se genera una cantidad finita de entrelazamiento en el limite de pequena anisotropia. (The maximum entanglement reached by an initially fully aligned state evolving in a XY Heisenberg spin chain placed in a uniform transverse magnetic field is studied. It is shown that the capacity to create entangled states (both of one qubit with the rest of the chain and pairwise between two adjacent qubits) is not a monotonous function of the magnetic field: it presents plateaus and resonances. It is also shown that, though anisotropy in the interaction is necessary for entanglement generation, the best conditions for generating entanglement that may be suitable for use in quantum computation is not that of biggest anisotropy. Moreover finite amounts of entanglement are generated in the small anisotropy limit.)
[ES]: En el trabajo se estudia el entrelazamiento cuántico en cadenas de espines XX de Heisenberg inhomogéneas utilizando la entropía de Rényi como medida del entrelazamiento bipartito. Mediante la transformación de Jordan-Wigner, el hamiltoniano de la cadena se convierte en el de un sistema de fermiones libres sin espín, cuya diagonalización se fundamenta en la teoría de polinomios ortogonales. La entropía de entrelazamiento exacta de un bloque de L espines se calcula a partir de los autovalores de la matriz de correlación, de dimensión L × L, evitando la diagonalización directa de la matriz densidad reducida del subsistema. En el límite termodinámico y en el régimen de half-filling con campo magnético nulo, se muestra que el límite continuo de la cadena inhomogénea a bajas energías es equivalente a un fermión de Dirac sin masa en un espacio-tiempo curvo, cuya métrica queda determinada por las constantes de acoplamiento. Esto permite obtener una fórmula asintótica para la entropía de Rényi en el marco de las teorías cuánticas de campos conformes en (1+1) dimensiones con parámetros modificados por las inhomogeneidades. Los resultados se aplican a las cadenas de Rindler y Lamé, comprobando la validez de la expresión asintótica y revelando un fenómeno de depleción de la densidad fermiónica en estados fuera del régimen de half-filling.
El objetivo de esta tesis es el estudio de la entropia de entrelazamiento de Renyi en los estados estacionarios de cadenas de fermiones sin spin descritas por un Hamiltoniano cuadratico general con invariancia translacional y posibles acoplos a larga distancia.
Nuestra investigacion se basa en la relacion que existe entre la matriz densidad de los estados estacionarios y la correspondiente matriz de correlaciones entre dos puntos. Esta propiedad reduce la complejidad de calcular numericamente la entropia de entrelazamiento y permite expresar esta magnitud en terminos del determinante del resolvente de la matriz de correlaciones.
Dado que la cadena es invariante translacional, la matriz de correlaciones es una matriz block Toeplitz. En vista de este hecho, la filosofia que seguimos en esta tesis es la de aprovecharnos de las propiedades asintoticas de este tipo de determinantes para investigar la entropia de entrelazamiento de Renyi en el limite termodinamico. Un aspecto interesante es que los resultados conocidos sobre el comportamiento asintotico de los determinantes block Toeplitz no son validos para algunas de las matrices de correlaciones que consideraremos. Intentando llenar esta laguna, obtenemos algunos resultados originales sobre el comportamiento asintotico de los determinantes de matrices de Toeplitz y block Toeplitz.
Estos nuevos resultados combinados con los ya previamente conocidos nos permiten obtener analiticamente el termino dominante en la expansion de la entropia de entrelazamiento, tanto para un unico intervalo de puntos o sites contiguos de la cadena como para subsistemas formados por varios intervalos disjuntos. En particular, descubrimos que los acoplos de largo alcance dan lugar a nuevas propiedades del comportamiento asintotico de la entropia tales como la aparicion de un termino logaritmico no universal fuera de los puntos criticos cuando los terminos de pairing decaen siguiendo una ley de potencias o un crecimiento sublogaritmico cuando dichos acoplos decaen logaritmicamente.
El estudio de la entropia de entrelazamiento a traves de los determinantes block Toeplitz tambien nos ha llevado a descubrir una nueva simetria de la entropia de entrelazamiento bajo transformaciones de Mobius que pueden verse como transformaciones de los acoplos de la teoria. En particular, encontramos que para teorias criticas esta simetria presenta un intrigante paralelismo con las transformaciones conformes en el espacio-tiempo.
En esta tesis se ha pretendido realizar y testar los componentes basicos necesarios de un futuro ordenador cuantico usando para ello moleculas magneticas sencillas. Con este fin se ha comprobado que estas moleculas cumplen con los tres ingredientes principales que necesita reunir un buen candidato: qubits bien definidos y diferenciables, coherencia cuantica y la posibilidad de acoplarse a dispositivos. Tambien se ha estudiado, por tanto, si estas moleculas conservan sus propiedades magneticas, tales como el espin, la anisotropia magnetica, la interaccion entre distintos iones, etc., cuando se integran en un sensor. El trabajo que aqui se presenta se divide fundamentalmente en tres partes. Desarrollo, mejora y testado de dispositivos superconductores de interferencia cuantica (SQUID) En esta parte de la tesis se realiza un analisis detallado de varios modelos de dispositivos pertenecientes a nueva generacion de susceptometros SQUID, especialmente disenados para medir las propiedades magneticas de muestras de tamano micrometrico, hasta 30 um de diametro (capitulo 3). En particular, presentamos un estudio del ruido de estos sensores, teniendo en cuenta las distintas contribuciones extrinsecas al SQUID y provenientes de la electronica. Tambien se estudia la posibilidad de incluir una etapa amplificadora de bajo ruido, que permita reducir esta contribucion. Por otro lado, se ha hecho un cuidadoso analisis sobre el origen de la respuesta magnetica de los susceptometros vacios, con el fin de llegar a un protocolo comun de tratamiento de los datos de susceptibilidad ac obtenidos para distintas muestras. Por ultimo, y con el objetivo de mejorar la sensibilidad de los sensores en la deteccion de muestras de tamano nanometrico, en este trabajo se presenta la realizacion mediante Focused Ion Beam (FIB) de una nanoespira de unos 500 nm de diametro, en serie con la bobina detectora del SQUID. Esta nanoespira permite mejorar la sensibilidad del dispositivo en esa zona. Para comprobarlo, se incluyen varias medidas con muestras cuyo comportamiento magnetico es conocido. Caracterizacion de cristales de moleculas magneticas con los que se pueden llevar a cabo puertas logicas computacionales La segunda parte incluye un estudio de imanes moleculares que contienen uno, dos o tres espines magneticos debilmente acoplados, con el fin de comprobar que pueden utilizarse para llevar a cabo las operaciones basicas de computacion cuantica. Por un lado, se estudian dimeros constituidos por dos iones Ln(III) donde Ln es un lantanido (capitulo 4). Cada uno de los espines que forman el dimero tiene una estructura de niveles tal que los dos niveles de menor energia estan fuertemente separados de los niveles superiores, formando, por tanto, sistemas de dos niveles efectivos o qubits. Por otro lado, estos espines estan debilmente acoplados entre si, lo que constituye un sistema de cuatro niveles entrelazados con los que es posible realizar puertas cuanticas de dos qubits, en particular las puertas CNOT y SWAP. En esta tesis se presentan los primeros resultados de realizacion de estas puertas, en los dimeros de Tb2, Dy2 y ErCe. En cuanto a los trimeros, o imanes moleculares con tres espines magneticos, en esta tesis se presenta un estudio para el trimero compuesto por dos iones Cu(II) y un ion Er(III) (capitulo 5). En primer lugar se analiza el comportamiento magnetico de los dos iones de cobre en el trimero CuLaCu, donde el ion La(III) es diamagnetico, y se comprueba que existe un acoplo entre sus espines, permitiendo la realizacion de puertas de dos qubits, tambien para este material. Incluyendo la informacion obtenida para este compuesto, se presenta por ultimo un analisis del comportamiento magnetico del trimero CuErCu constatando la existencia de un acoplo muy debil entre los iones cobre (II) y el ion erbio y, por tanto, la posibilidad de realizar puertas cuanticas de tres qubits, como las puertas Fredkin y Toffoli. Estudio de procesos de relajacion magnetica y deposicion de imanes moleculares sobre superficies Esta ultima parte pretende aunar las dos partes anteriores, depositando las moleculas estudiadas en la parte anterior sobre los dispositivos superconductores del principio mediante la tecnica de Dip-Pen Nanolitography (DPN). La intencion ultima es comprobar si estas moleculas mantienen sus propiedades magneticas al ser sometidas a los efectos de un sustrato solido ajeno a su estructura cristalina, y comprobar si se trata de sistemas lo suficientemente coherentes como para realizar operaciones cuanticas sin que los estados se degraden demasiado rapido. En primer lugar, en el capitulo 6 se presenta un estudio de los procesos de relajacion de estas moleculas en su estado original, atendiendo al origen y las causas de estos procesos. Para ello se ofrecen los resultados en una serie de muestras en las que hay cada vez mas niveles accesibles, partiendo de un monomero ErLa con un solo espin magnetico y sin apenas interacciones hiperfinas, hasta llegar al caso de un dimero con dos espines magneticos y una considerable contribucion nuclear, Dy2. Una vez entendidos los procesos de relajacion en las muestras cristalinas, se han depositado unas pocas monocapas de estas muestras sobre los SQUID utilizando la tecnica DPN, con el fin de comprobar su integridad fisica (capitulo 7). En particular se describen experimentos para dos muestras diferentes, un iman molecular cuyo comportamiento es bastante conocido, el Mn12, y un dimero de Dy2. En este capitulo se muestran los resultados de las medidas de susceptibilidad ac en comparacion con las medidas previas, realizadas sobre microcristales.
Se considera el sistema formado por dos spines en un campo magnetico constante a lo largo del eje z. Los dos spines se ubican a lo largo de un vector unitario arbitrario separados por una distancia fija d y se supone que su interaccion mutua es de tipo dipolar magnetica. Se resuelve la ecuacion de Schrodinger dependiente del tiempo para diferentes condiciones iniciales (una de ellas es un es-tado coherente de spin) y se encuentra la matriz densidad del sistema de dos spines. Mediante traza parcial sobre el spin 2 se halla la matriz densidad del spin 1 sometido al entorno constituido por el spin 2. Se calculan los parametros que caracterizan el entrelazamiento y la decoherencia del spin 1 producidos por su interaccion con el entorno. Lo anterior se realiza para distintas orientaciones y distintas separaciones d. Se observa que la maxima decoherencia y el maximo entrelazamiento se producen cuando es perpendicular a z y que estas cantidades oscilan en el tiempo. Lo anterior muestra la relacion de dichos comportamientos con la simetria del hamiltoniano.
Uno de los retos actuales en el campo de la información es la construcción de un ordenador cuántico. En un ordenador cuántico se sustituye la unidad de información de los ordenadores clásicos, el bit, por un bit cuántico o qubit. El principio de superposición, inherente a la física cuántica, permite entonces manejar estados "superposición". Esta posibilidad abre una puerta a la implementación de nuevos algoritmos y podría permitir simulaciones y cálculos impracticables con tecnologías clásicas. Los tres obstáculos principales a la hora de construir un ordenador cuántico son: - Encontrar sistemas físicos que tengan las propiedades adecuadas para ser qubits. Se buscan principalmente que sean equivalentes a un sistema cuántico de dos niveles en el régimen de trabajo. Existen sistemas que, de forma natural, ya presentan esta característica, por ejemplo espines nucleares, atómicos o moleculares o dipolos eléctricos. Por otro lado, también existen sistemas sintéticos que pueden fabricarse con las características deseadas. Estos últimos son determinados circuitos cuánticos como los qubits de carga o qubits de flujo (superconductores). - Encontrar sistemas para inicializar, leer, escribir y manipular los qubits así como para acoplarlos entre sí generando entrelazamiento cuántico y creando puertas lógicas cuánticas. Los qubits no solo tienen que almacenar información, sino que además deben poder ser manipulados de forma efectiva. Asimismo, la información ha de ser transferida de un lugar del sistema a otro (bus cuántico). La forma más natural de manipular los distintos qubits es mediante su acoplo a radiación electromagnética. Los fotones son de forma natural objetos cuánticos y ofrecen un muy efectivo medio para la transferencia de información cuántica. - Mantener la coherencia cuántica de los qubits. Los sistemas y efectos cuánticos son típicamente muy sensibles a perturbaciones externas y cualquier interacción con el entorno puede destruir su coherencia. La necesidad de aislarlos adecuadamente del entorno compite directamente con la facilidad de manipularlos y ponerlos en interacción mutua. En este contexto, tiene especial importancia el estudio de la interacción de fotones individuales con sistemas cuánticos candidatos a ser qubits. El ejemplo arquetípico para el estudio de esta interacción son los sistemas de electrodinámica cuántica de cavidades (Cavity Quantum Electrodynamics o CQED en inglés). Éstos consisten en un sistema cuántico de dos niveles acoplado a único modo de la radiación electromagnética, por ejemplo, a fotones almacenados en una cavidad. La intensidad del acoplo fotón-qubit ha de superar las frecuencias de coherencia de ambos subsistemas. Este régimen de acoplo fuerte permite que, durante el tiempo de vida del sistema, se pueda realizar un numero suficientemente elevado de operaciones. Con el objeto de aumentar el acoplo entre los fotones de una cavidad y un qubit, se han investigado distintos tipos de cavidades y qubits que permiten alcanzar el régimen de acoplo fuerte. Uno de los más interesantes es lo que ahora se conoce como electrodinámica cuántica de circuitos (Circuit QED), que consiste en usar tecnologías de circuitos integrados y superconductores para fabricar cavidades y qubits adaptados para aplicaciones en el procesado cuántico de información. Uno de los sistemas más utilizados en Circuit QED es el qubit de carga (Cooper pair box) acoplado a través de la componente eléctrica del campo a un resonador coplanar superconductor (superconducting coplanar waveguide resonator). La geometría de una guía de ondas coplanar permite aumentar la densidad de energía electromagnética (y por consiguiente el acoplo) con respecto a una cavidad tridimensional estándar. Este sistema presenta acoplo fuerte y permite la realización de operaciones sobre el qubit e incluso entrelazar múltiples qubits acoplados a la misma cavidad. Sistemas candidatos a qubits que se acoplan al campo magnético, como por ejemplo sistemas de espines de estado sólido, también son interesantes por sus posibles aplicaciones para el almacenamiento de información cuántica y para proporcionar una interconexión entre fotones de radio-frecuencias con fotones ópticos. Experimentos realizados en los últimos años demuestran la posibilidad de acoplar coherentemente centros NV y P1 de diamante con circuitos cuánticos como resonadores superconductores o qubits de flujo. Estos defectos en diamante actúan como sistemas de espín 1 y se acoplan colectivamente al circuito proporcionando un aumento en el acoplo proporcional a la raíz cuadrada de número de espines. El acoplo fuerte se consigue gracias a este factor junto con la alta coherencia de los centros magnéticos (tiempos de coherencia de 1-2 ms a temperatura ambiente). También se ha demostrado acoplo fuerte magnético, incluso a temperatura ambiente, entre radicales paramagnéticos de spin 1/2 y cavidades de microondas tridimensionales. El uso qubits de espín abre también la posibilidad a otros sistemas algo más complejos. Los "single molecule magnets" (moléculas imán ó SMMs) son moléculas organometálicas formadas por un núcleo de alto espín rodeado de ligandos orgánicos que, de forma natural, se organizan en cristales moleculares. El alto valor de su espín puede permitir que el régimen de acoplo fuerte sea más fácil de alcanzar y podría llevar a su aplicación como memorias cuánticas. Los SMMs son también interesantes por que permiten manipular químicamente sus propiedades para distintas aplicaciones. Si nos restringimos solo al campo de la información cuántica, estos sistemas pueden actuar no sólo como qubits individuales sino que se pueden diseñar para que una única molécula contenga múltiples qubits débil o fuertemente entrelazados, para actuar como puertas lógicas o como simuladores cuánticos. Muchas de las aplicaciones de SMMs más sofisticados requieren acoplar moléculas individuales al campo magnético de un resonador, un reto aún más complicado que el acoplo a cristales macroscópicos. Si este límite fuera alcanzable, se podrían utilizar circuitos supercondutores para manipular y transferir coherentemente información entre qubits de espín, proporcionando una arquitectura adecuada para implementar un procesador cuántico de espines. Si nos inspiramos en los sistemas de Circuit QED, podemos imaginar construir un sistema similar donde se colocarían moléculas individuales en las posiciones de la cavidad donde haya máximo campo magnético para el modo deseado de las microondas. Los espines podrían entonces sintonizarse individualmente utilizando campos magnéticos locales para ponerlos en resonancia con la cavidad e intercambiarían información. El principal objetivo en esta tesis, es comprobar la viabilidad de propuestas como esta y dar los primeros pasos hacia su realización. Los acoplos alcanzables en la actualidad para espines individuales son todavía demasiado bajos como para superar sus los límites impuestos por sus tiempos de coherencia. Esto nos deja con dos alternativas para mejorar el acoplo: - Encontrar sistemas de espín con mejores propiedades (tanto acoplo más fuerte como mejor coherencia) - Modificar las cavidades para aumentar el campo magnético y, por tanto, el acoplo. Teniendo esto en cuenta, los objetivos concretos de la tesis son: - Establecer que características deben tener los sistemas de espín para acoplarse fuertemente con un circuito cuántico - Estudiar las propiedades de diferentes familias de SMMs y ver si cumplen con las condiciones requeridas para el acoplo fuerte, tanto en forma de cristales moleculares como de moléculas individuales. - Diseñar nuevos resonadores de Circuit QED para concentrar el campo de microondas en regiones, optimizando así la interacción con pequeños grupos de espines o moléculas magnéticas. Explorar también si estas modificaciones cambian de forma sustancial las propiedades básicas del resonador.
En el presente trabajo se desarrolla el concepto de entropía de entrelazamiento (entanglement) en \nteorías cuanticas de campos en (1+1) dimensiones. Se realiza el cálculo explícito y detallado de la \nforma de la misma para campos libres escalares y fermiónicos, ambos en (1+1) dimensiones empleando \nmétodos numéricos. Luego, para un sistema de dos especies de fermiones en escalera, se estudia la \nentropía asociada a una especie, obteniendo divergencias volumétricas en lugar de logarítmicas como \nen el caso geométrico de entropía de regiones espaciales. Se analiza el límite del continuo y también \nsu concordancia con los límites de pequeños y grandes espaciamientos de red para la teoría discreta. \nFinalmente, se extiende el estudio a teorías generalizadas de campos libres (Generalized Free Fields), \npermitiendo entender mejor las razones de la dependencia volumétrica mencionada.