Any computation is facilitated by some physical process, and the observable quantities of any physical process can be viewed as a computation. These close ties suggest that the study of what universal computers are capable of may lead to additional insight about the physical universe, and vice versa. In his thesis, we explore three lines of research that are linked to this central theme. The first partition shows how notions of non-computability and undecidability eventually led to evidence of emergence, the concept that even if a ‘theory of everything’ governing all microscopic interactions were discovered, the understanding of macroscopic order is likely to require additional insights. The second partition proposes a physically motivated model of computation that relates quantum complexity, quantum optimal control, and Riemannian geometry. Thus insights in any one of these disciplines could also lead to insights in the others. The remainder of this partition explores a simple application of these relations. The final partition proposes a model of quantum computation that generalizes measurement based computation to continuous variables. We outline its optical implementation, whereby any computation can be performed by single mode measurements on a resource state that can be prepared by passing a collection of squeezed states through a beamsplitter network.

Usamos um modelo exatamente solúvel para calcular a dinâmica da fidelidade de uma computação baseada em medidas projetivas cujo sistema interage com um meio ambiente comum que insere erros de fase. Mostramos que a fidelidade do estado de Cluster canônico oscila como função do tempo e, como consequência, a computação quântica baseada em medidas projetivas pode apresentar melhores resultados computacionais mesmo para um conjunto sequencial de medidas lentas. Além disso, apresentamos uma condição necessária para que a dinâmica da fidelidade de um estado quântico geral apresente um comportamento não-monotônico. / We use an exact solvable model to calculate the gate fidelity dynamics of a measurement-based quantum computation that interacts with a common dephasing environment. We show that the fidelity of the canonical cluster state oscillates as a function of time and, as a consequence, the measurement-based quantum computer can give better computational results even for a set of slow measurement sequences. Furthermore, we present a necessary condition to the fidelity dynamics of a general quantum state presents a non-monotonical shape.

Usamos um modelo exatamente solúvel para calcular a dinâmica da fidelidade de uma computação baseada em medidas projetivas cujo sistema interage com um meio ambiente comum que insere erros de fase. Mostramos que a fidelidade do estado de Cluster canônico oscila como função do tempo e, como consequência, a computação quântica baseada em medidas projetivas pode apresentar melhores resultados computacionais mesmo para um conjunto sequencial de medidas lentas. Além disso, apresentamos uma condição necessária para que a dinâmica da fidelidade de um estado quântico geral apresente um comportamento não-monotônico. / We use an exact solvable model to calculate the gate fidelity dynamics of a measurement-based quantum computation that interacts with a common dephasing environment. We show that the fidelity of the canonical cluster state oscillates as a function of time and, as a consequence, the measurement-based quantum computer can give better computational results even for a set of slow measurement sequences. Furthermore, we present a necessary condition to the fidelity dynamics of a general quantum state presents a non-monotonical shape.

Orientadores: Jose Antonio Roversi, Antonio Vidiella Barranco / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-10T23:26:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Munhoz_PabloParmezani_D.pdf: 2389817 bytes, checksum: 8dde8d8180015b471d0fc6581dc6ee87 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Neste trabalho, analisamos conceitos de Informação Quântica e Óptica Quântica no contexto de Eletrodinâmica Quântica de Cavidades (CQED). Recentemente, CQED vem apresentando grandes avanços tecnológicos, justificando o interesse em várias propostas de implementação experimental. Na primeira parte do trabalho, consideramos o efeito da emissão espontânea num sistema de dois átomos de dois-níveis idênticos interagindo dispersivamente com o campo eletromagnético quantizado numa cavidade de alto fator de qualidade Q. Investigamos o efeito destrutivo do decaimento atômico na geração de estados maximamente emaranhados. Em particular, calculamos a fidelidade de teletransporte, obtendo o limite superior para a taxa de decaimento espontâneo dos átomos que ainda permite teletransporte usando tais estados como canal quântico. Na segunda parte, apresentamos os Estados Coerentes Emaranhados Tipo-Cluster (CTECS) e discuti-mos suas propriedades. Apresentamos um esquema de geração desses estados em cavidades, mediante escolhas convenientes de interações átomo-cavidade, através do ajuste de dessintonias e aplicação de um campo clássico externo. Após a realização de medidas atômicas, CTECS representando campos eletro-magnéticos não-locais em cavidades separadas podem ser gerados. Generalizamos o esquema de geração para 2p-cavidades e analisamos a utilidade do CTECS gerado para teletransporte, considerando perda de fótons nas cavidades / Abstract: In this work, we analyze concepts of Quantum Information and Quantum Optics in the context of Cavity Quantum Electrodynamics (CQED). Nowadays, CQED is achieving great technological advances, justifying the interest in several proposals of experimental implementation. In the first part of the work, we consider the effect of spontaneous emission in a system of two identical two-level atoms dispersively interacting with the quantized electromagnetic field inside a high quality factor Q cavity. We investigate the destructive effect of the atomic decay in the generation of maximally entangled states. In particular, we compute the fidelity of teleportation, obtaining an upper limit for the spontaneous atomic decay rate which still allows teleportation using those states as quantum channels. In the second part, we present the cluster-type entangled coherent states (CTECS) and discuss their properties. We present a generation scheme of these states in cavities, by means of convenient choices of atom-field interactions, through adjustments of detunings and application of a classical external field. After the realization of simple atomic measurements, CTECS representing nonlocal electromagnetic fields in separate cavities can be generated. We generalize the scheme for 2p-cavities, analyzing the utility of the generated CTECS for teleportation, considering photon leakage in the cavities / Doutorado / Física Clássica e Física Quântica : Mecânica e Campos / Doutor em Ciências