Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Quantum Coherence (QC) has a fundamental role in Quantum Mechanics (QM). It has been studied since the emergence of QM. However, this quantum feature is easily destroyed when a physical system interacts with the environment. Also, recently the quantum coherence has been highlighted because of the possibility of using its as a resource in the Quantum Information Science (QIS). In this work we study the QC flow of a qubit (two-level system) interacting with the environment modeled by quantum channels of noise that are very common in QIS. These channels represent some physical systems and are widely used for error correction studies. We calculate the QC by the l1-norm, doing this for the different channels seeking to relate it to the entanglement, which is also another key topic in QM. We note that in the amplitude damping channel the total QC is equal to the sum of the local and non-local parts and that the non-local part is equivalent to entanglement. For the phase damping channel, entanglement does not cover all non-local QC. Here there is a gap between them that may depend on the time and on the initial state. Besides, for the bit, phase, and bit phase flip channels the possibility and the conditions for invariance of QC are considered. Also, we notice that for the depolarizing channel we can use the qubit as a catalyst for the creation of non-local QC and entanglement. We, as well, observed that even initial states incoherent can lead to transient quantum coherence between system and environment. We also showed that the emergence of entanglement does not necessarily imply the destruction of QC. Furthermore, we investigated whether QC is lost or changed into other types of correlations and besides which initial conditions allow making quantum coherence robust to decoherence. / A Coerência Quântica (CQ) tem aspecto fundamental na Mecânica Quântica (MQ), ela é estudada desde o surgimento da MQ todavia, a CQ é uma característica que é facilmente destruída quando um sistema físico interage com o meio ambiente. Além disso, recentemente a coerência quântica tem tido destaque devido a possibilidade de sua utilização como um recurso na Ciência da Informação Quântica (CIQ). Nesse trabalho estudamos o fluxo de CQ de um qubit (sistema de dois níveis) interagindo com o ambiente modelado por canais quânticos de ruído que são muito comuns em CIQ. Esses canais representam alguns sistemas físicos e são amplamente utilizados para o estudo de correção de erros, por exemplo. Calculamos a CQ baseados na norma-l1 para os diferentes canais buscando relacioná-la com o emaranhamento, que também é outro tópico fundamental em MQ. Notamos que para o canal amplitude damping a CQ total é igual a soma das partes local e não-local e que a parte não-local equivale ao emaranhamento. Para o canal phase damping o emaranhamento não abrange toda a CQ não-local, existindo uma lacuna entre eles que pode depender do tempo e do estado inicial. Além disso, para os canais bit, phase e bit phase flip são consideradas a possibilidade e condições para invariância da CQ. Ainda notamos que para o canal depolarizing podemos usar o qubit como um catalisador para a criação de CQ e de emaranhamento. Observamos ainda que mesmo estados iniciais incoerentes podem levar à criação de coerência quântica transitória entre sistema e ambiente. Vimos também que o surgimento do emaranhamento não implica necessariamente na diminuição da CQ do qubit. Investigamos ainda se a CQ é perdida ou transformada em outros tipos de correlações e também quais condições iniciais possibilitam tornar a coerência quântica mais robusta.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-10-01T14:15:29Z No. of bitstreams: 1 ELLOÁ BARRETO GUEDES COSTA - TESE PPGCC 2013..pdf: 53314941 bytes, checksum: 3758326a173b3852e098b78e3e03a1fc (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-01T14:15:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ELLOÁ BARRETO GUEDES COSTA - TESE PPGCC 2013..pdf: 53314941 bytes, checksum: 3758326a173b3852e098b78e3e03a1fc (MD5) Previous issue date: 2013-11-13 / CNPq / A Teoria da Informação Quântica é uma área de pesquisa a qual considera o estudo dos limites máximos possíveis para o processamento e transmissão da informação, considerando que esta última encontra-se representada de acordo com as leis da Mecânica Quântica. Uma das maneiras de contribuir com esta área de pesquisa é no desenvolvimento de contrapartidas quânticas para os conceitos da Teoria da Informação Clássica. Graças a esta abordagem é que foi proposta a Teoria da Informação Quântica Erro-Zero, a qual considera o uso e as condições para que canais quânticos ruidosos possam transmitir informação clássica sem erros de decodificação. Apesar da proposição desta teoria e dos progressos recentes, foi identificado que o conhecimento das potencialidades, limitações e aplicações desta teoria ainda é incipiente. Na tentativa de minimizar este problema, esta tese apresenta dois novos conceitos ligados à Teoria da Informação Quântica Erro-Zero: (i) a capacidade quântica de sigilo erro-zero; e a (ii) informação acessível erro-zero de fontes quânticas. Em relação à primeira contribuição, tem-se o estabelecimento das condições necessárias para enviar informação por canais quânticos ruidosos sem que haja erros de decodificação e com sigilo absoluto, identificando uma nova capacidade de canais quânticos, estabelecendo a relação desta capacidade com a Teoria dos Grafos e identificando as situações em que esta possui caracterização de letra isolada. A segunda contribuição trata da proposição de uma medida de informação sobre fontes quânticas, a qual mensura o potencial de decodificar, sem erros, estados quânticos emitidos por estas fontes. Obter esta medida é um problema análogo ao de calcular a capacidade erro-zero de canais clássicos equivalentes e não há medida equivalente na Teoria da Informação Erro-Zero Clássica. Os conceitos propostos colaboram para o desenvolvimento da Teoria da Informação Quântica Erro-Zero em termos teóricos e práticos, uma vez que é possível considerar implementações de ambas contribuições com tecnologia existente atualmente. Além disto, intersecções da Teoria da Informação Quântica Erro-Zero junto à Criptografia, Teoria dos Grafos e Ciência da Computação são identificadas. O estabelecimento de tais contribuições colabora diretamente para a resolução de um dos desafios da Teoria da Informação Quântica, o qual trata da determinação de limites para a classe de tarefas de processamento de informação que são possíveis considerando a utilização da Mecânica Quântica. / Quantum Information Theory is a research area that investigates the limits of information processing and transmission considering the laws of Quantum Mechanics. The translation of concepts from Classical Information Theory is a widely known approach to contribute to Quantum Information Theory. Thanks to that, the Quantum Zero-Error Information Theory was proposed. This theory investigates the use and the conditions for classical information exchange through noisy quantum channels without decoding errors. Despite the recent developments, it wasidentified that the knowledge about its potentialities, limitations and applications is still incipient. In the attempt to minimize this problem, this thesis presents two new concepts related to the Quantum Zero-Error Information Theory: (i) the quantum zero-error secrecy capacity; and the (ii) zero-error quantum accessible information. Regarding the first contribution, there is the establishment of the required conditions to send information through quantum channels without decoding errors and with perfect secrecy. This proposal identifies a new capacity of quantum channels, enlightens its relation with Graph Theory, and shows the situations where this capacity has single-letter characterization. Regarding the second contribution, there is the proposal of a quantum information measurement which quantifies the error-free decoding ability of a quantum source. Obtaining such measurement is a problem equivalent to the one of determining the zero-erro capacity of an equivalent classical channel and for which there is no counterpart in Classical Zero-Error Information Theory. The concepts proposed collaborate to Quantum Zero-Error Information Theory in theoretical and practical ways, since it is possible to implement both of them using current technology. Moreover, intersections with Cryptography, Graph Theory and Computer Science were identified. These concepts contribute straightforwardly to the resolution of a challenge of Quantum Information Theory which is the determination of the limits for the tasks of information processing that can be accomplished considering the use of Quantum Mechanics.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-08-01T21:11:37Z No. of bitstreams: 1 REX ANTONIO DA COSTA MEDEIROS - TESE PPGEE 2008..pdf: 1089371 bytes, checksum: ea0c95501b938e0d466779a06faaa4f6 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-01T21:11:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 REX ANTONIO DA COSTA MEDEIROS - TESE PPGEE 2008..pdf: 1089371 bytes, checksum: ea0c95501b938e0d466779a06faaa4f6 (MD5) Previous issue date: 2008-05-09 / Nesta tese, a capacidade erro-zero de canais discretos sem memória é generalizada para canais quânticos. Uma nova capacidade para a transmissão de informação clássica através de canais quânticos é proposta. A capacidade erro-zero de canais quânticos (CEZQ) é definida como sendo a máxima quantidade de informação por uso do canal que pode ser enviada através de um canal quântico ruidoso, considerando uma probabilidade de erro igual a zero. O protocolo de comunicação restringe palavras-código a produtos tensoriais de estados quânticos de entrada, enquanto que medições coletivas entre várias saídas do canal são permitidas. Portanto, o protocolo empregado é similar ao protocolo de Holevo-Schumacher-Westmoreland. O problema de encontrar a CEZQ é reformulado usando elementos da teoria de grafos. Esta definição equivalente é usada para demonstrar propriedades de famílias de estados quânticos e medições que atingem a CEZQ. É mostrado que a capacidade de um canal quântico num espaço de Hilbert de dimensão d pode sempre ser alcançada usando famílias compostas de, no máximo,d estados puros. Com relação às medições, demonstra-se que medições coletivas de von Neumann são necessárias e suficientes para alcançar a capacidade. É discutido se a CEZQ é uma generalização não trivial da capacidade erro-zero clássica. O termo não trivial refere-se a existência de canais quânticos para os quais a CEZQ só pode ser alcançada através de famílias de estados quânticos não-ortogonais e usando códigos de comprimento maior ou igual a dois. É investigada a CEZQ de alguns canais quânticos. É mostrado que o problema de calcular a CEZQ de canais clássicos-quânticos é puramente clássico. Em particular, é exibido um canal quântico para o qual conjectura-se que a CEZQ só pode ser alcançada usando uma família de estados quânticos não-ortogonais. Se a conjectura é verdadeira, é possível calcular o valor exato da capacidade e construir um código de bloco quântico que alcança a capacidade. Finalmente, é demonstrado que a CEZQ é limitada superiormente pela capacidade de Holevo-Schumacher-Westmoreland.