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Redes neurais lógicas quânticas

SILVA, Adenilton José da 31 January 2011 (has links)
Made available in DSpace on 2014-06-12T15:56:05Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo2496_1.pdf: 927111 bytes, checksum: 2a7e700951f9ece734722fe6fb1707f8 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2011 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Através da miniaturização dos componentes dos chips a cada ano a velocidade dos computadores é aproximadamente duplicada. Esta rápida redução dos componentes dos chips é conhecida como a Lei de Moore. Apesar de se manter verdadeira nos últimos anos, a lei de Moore está se aproximando de seu limite, pois os componentes dos chips estão se aproximando a escala atômica. Neste momento, será necessário considerar os efeitos da mecânica quântica sobre a computação. O estudo dos modelos de computação não convencionais, como a computação quântica, é um dos grandes desafios da pesquisa em computação no Brasil. O desenvolvimento de novos hardwares com tecnologias diferentes do silício pode ter consequências nas técnicas de desenvolvimento de hardware e software. O objetivo desta dissertação é investigar que vantagens podem ser obtidas através da aplicação de técnicas da computação quântica no desenvolvimento e treinamento de modelos de redes neurais artificiais. Três modelos de redes neurais quânticas baseados em modelos de redes neurais sem pesos foram propostos. Ao contrário dos outros modelos de redes neurais quânticas, as redes propostas nesta dissertação podem simular as redes em que foram baseadas. A principal vantagem dos modelos quânticos neurais propostos nesta dissertação está no seu algoritmo de treinamento, um algoritmo onde a rede neural é executada apenas uma vez independente do tamanho do conjunto de treinamento e da rede neural. O algoritmo proposto foi baseado em uma memória associativa quântica e no algoritmo de busca de Grover
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Quantum weightless neuron dynamics

PAULA NETO, Fernando Maciano de 01 March 2016 (has links)
Submitted by Isaac Francisco de Souza Dias (isaac.souzadias@ufpe.br) on 2016-07-13T19:29:03Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) final.pdf: 6504039 bytes, checksum: 6f7f7f9e2f6435f17fbf9659accd6d63 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-13T19:29:03Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) final.pdf: 6504039 bytes, checksum: 6f7f7f9e2f6435f17fbf9659accd6d63 (MD5) Previous issue date: 2016-03-01 / CNPQ / A wide spectrum of social, biological, physical, chemical and computational systems have been investigated by the tools and techniques from the field of Dynamical Systems Theory to formalize the behaviour in time and quantify and qualify the parametric variations of those systems. In Biology in particular, studies have shown that learning neuron maximization can occur in specific dynamics conditions where information processing is optimized. This it may be expected that some of those conditions can be recognized and used in artificial models. This work studies the quantum artificial neuron weightless qRAM behavior, from the design iteration models - taking into account the physical and mathematical conditions of quantum computing that restricts the extraction of information at every time step - to its parametric analysis where converging behaviors, damped or oscillatory, are detailed. Tools of dynamical systems like orbits diagram and time series qualitatively illustrate its temporal variability. The main contribution of this work is to detail the neuron qRAM behavior so that the results can be used within the machine learning area, coupled with larger systems to achieve maximum learning tasks. As result, we propose a novel dynamical neuron model, named Quadratic Extraction Model (QEM), we perfom parametric studies of the existing models where underdamped, overdamped and undamped behaviour are encountered, and we present apresentation of a neuron configuration inside a quantum architecture with chaos behaviour. A quantitative measure model to compare dynamics orbits was also proposed. / Os mais variados sistemas sociais, biológicos, físicos, químicos e computacionais tem sido investigados pela área de Sistemas Dinâmicos para formalizar o comportamento no tempo e quantificar e qualificar variações paramétricas desses sistemas. Na biologia em particular, estudos tem mostrado que a maximização de aprendizado de um neurônio pode acontecer dentro de certas condições da sua dinâmica onde o processamento de informação é otimizado. Espera-se então que essas condições possam ser reconhecidas e utilizadas em modelos artificiais. Este trabalho descreve o comportamento do neurônio artificial quântico sem peso qRAM, desde a concepção de modelos de iteração - visto as condições físico matemáticas da computação quântica que restringe a extração da informação isolada do valor de saída do neurônio a cada etapa de tempo - até sua análise paramétrica de onde comportamentos convergentes, amortecidos ou oscilatórios são detalhados. Ferramentas dos sistemas dinâmicos como diagrama de órbitas e séries temporais ilustram qualitativamente sua variabilidade temporal. A principal contribuição desse trabalho é detalhar o comportamento do neurônio qRAM a fim de que os resultados possam ser usados dentro da área de aprendizagem de máquina, acoplado com sistemas maiores e complexos, com maximização de tarefas de aprendizado. Como resultado, há proposição de mais um modelo de dinâmica neuronal, o QEM, o estudo paramétrico dos modelos de dinâmicas existentes, que se identifica comportamentos subamortecidos, sobreamortecidos e não-amortecidos na dinâmica, assim como a apresentação de uma configuração neuronal dentro da arquitetura quântica que apresenta comportamento caótico. Um modelo de medição quantitivo para comparar dinâmicos foi também proposto.
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Um estudo sobre computação quântica topológica = novas portas para o modelo de fibonacci / A Study on topological quantum computation : new gates to the fibonacci model

Cunha, Maicon Henrique 20 August 2018 (has links)
Orientadores: Reginaldo Palazzo Júnior, Clarice Dias de Albuquerque / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-20T02:14:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cunha_MaiconHenrique_M.pdf: 692136 bytes, checksum: 3fe313a507d63bb6531e79d113a8cf55 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Neste trabalho, apresentamos um estudo sobre Computação Quântica Topológica, uma área de pesquisa inserida na computação quântica que busca resolver o problema da decoerência na construção do computador quântico de uma maneira inovadora. Essa computação envolve aspectos de áreas distintas relacionadas a mecânica quântica: teoria de grupos, representação de grupo, anyons e outras. Por isso, uma fundamentação teórica básica nesses tópicos é necessária e será apresentada para embasar o modelo geral de Computação Quântica Topológica. O modelo de Fibonacci é um caso específico que será tratado com ênfase por ser o mais difundido e o único universal conhecido até o momento. Com o modelo de Fibonacci, construímos novas portas quânticas, cuja análise possibilitou conclusões e um refinamento no algoritmo existente para encontrar tais portas / Abstract: In this work, we present a study about Topological Quantum Computation, a research area included in quantum computation that seeks to solve the problem of decoherence in building a quantum computer according to an innovative way. This involves computing aspects of different areas related to quantum mechanics: group theory, group representation, anyons and others. Thus a basic theoretical foundation in these topics is necessary and will be presented to support the general model of Topological Quantum Computation. The Fibonacci model is a particular case, which will be discussed with emphasis, being the most widespread and the only universally known until this moment. With the Fibonacci model, we construct new quantum gates, whose analysis allowed a number of conclusions to be draw, as well as a refinement of the existing algorithm to find such ports / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica
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The computational power of noninteracting particles

Brod, Daniel Jost 07 March 2017 (has links)
Submitted by Biblioteca do Instituto de Física (bif@ndc.uff.br) on 2017-03-07T17:06:34Z No. of bitstreams: 1 Tese_Brod.pdf: 6621723 bytes, checksum: e2c2aa2468fdc539d92dd2b4646bfe2f (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-07T17:06:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese_Brod.pdf: 6621723 bytes, checksum: e2c2aa2468fdc539d92dd2b4646bfe2f (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Informação Quântica / ERC-Starting Grant 3D-QUEST / Podemos estudar o poder computacional de modelos restritos de computação para ajudar a esclarecer a natureza do speedup computacional. Do ponto de vista teórico, pode ajudar a determinar que recursos são necessários e/ou su cientes para computação quântica universal. Essa questão também é de interesse no caso de implementações experimentais em que haja restrições nas operações ou recursos disponíveis. Esta tese dedica-se ao estudo de dois modelos restritos de computação quântica, provenientes da descrição da evolução de partículas idênticas não interagentes em Mecânica Quântica. A dinâmica de férmions não interagentes corresponde a um conjunto restrito de portas de dois qubits conhecidas como matchgates. Circuitos de matchgates são simuláveis classicamente se os qubits estão organizados em um grafo linear e as portas só atuam entre primeiros vizinhos, e universais para computação quântica se as portas podem atuar entre qubits distantes ou, de forma equivalente, se a porta SWAP está disponível.Nesta tese, eu generalizo esses resultados de duas formas. Primeiro, mostro que a SWAP pertence a uma família contínua de portas capazes de tornar matchgates universais. Mais especi camente, mostro que qualquer porta de dois qubits que preserve a paridade (e não seja um matchgate) pode ser adicionada ao conjunto completo de matchgates para se obter computação universal e, além disso, dou uma interpretação desse fato em termos de invariantes locais de portas de dois qubits. Em seguida, estudo o poder computacional de matchgates entre qubits em grafos de conectividade arbitrários. Mostro que matchgates podem realizar computação universal em qualquer grafo que não seja um ciclo ou um caminho, e que eles são simuláveis classicamente se o grafo é um ciclo. Essa dicotomia persiste se restringimos o conjunto somente à interação XY, um subconjunto de matchgates diretamente relacionado a diversas implementações de computação quântica. Bósons não interagentes (e.g. ótica linear) dão origem a um modelo, proposto recentemente, conhecido como amostragem bosônica (BosonSampling). A tarefa de amostragem bosônica consiste em: (i) preparar um estado de Fock de n fótons, (ii) evoluí-lo de acordo com um interferômetro linear de m modos e (iii) medir as saídas do interferômetro na base de Fock. Pode-se mostrar que, partindo de algumas conjecturas razoáveis relativas a classes de complexidade, não é possível produzir, de forma e ciente em um computador clássico, uma amostra da distribuição resultante desse sistema, nem de forma aproximada. Nesta tese mostro que, sob conjecturas semelhantes, a versão exata da amostragem bosônica é difícil mesmo se o circuito ótico tem profundidade constante. Também descrevo alguns experimentos, realizados em colaboração com grupos experimentais de Roma e Milão, em que foi observada a interferência de três fótons em chips fotônicos de vários tamanhos. Esses experimentos estão entre as primeiras implementações de amostragem bosônica nesse regime. Os experimentos também evidenciam o efeito de agrupamento (bunching) bosônico em interferômetros multimodo e a aplicação de protocolos de validação desses dispositivos. Esta tese contém descrições detalhadas de análises numéricas realizadas sobre os dados experimentais, que foram omitidas das respectivas publicações. / We can study the computational power of restricted models of computation in order to shed light on the nature of quantum computational speedup. From a theoretical perspective, it can help determine what resources are necessary and/or sufficient for universal quantum computation. This issue is also relevant in experimental settings where the available operations or resources may be restricted. In this thesis, I study two different restricted models of quantum computation that stem from the behavior of free indistinguishable quantum-mechanical particles. The dynamics of noninteracting fermions correspond to a restricted set of two-qubit gates known as matchgates. Matchgates are known to be classically simulable when acting on nearest-neighbor qubits on a path, but are universal for quantum computation when the gates can also act on more distant qubits or, equivalently, when SWAP gates are available. Here, I generalize these known results in two ways. First, I show that SWAP is only one in a large family of gates that can uplift matchgates to full quantum universality. More speci cally, I show that the set of all matchgates plus any nonmatchgate parity-preserving two-qubit gate is universal, and I give an interpretation of this fact in terms of local invariants of two-qubit gates. Second, I investigate the power of two-qubit matchgates between qubits in an arbitrary connectivity graph, showing that they are universal on any connected graph other than a path or a cycle, and that they are classically simulable on a cycle. This same dichotomy holds for the XY interaction, a proper subset of matchgates that arises naturally in several implementations of quantum computing. Noninteracting bosons (e.g. linear optics) give rise to a recently proposed restricted model known as BosonSampling. The BosonSampling task consists of (i) preparing an initial Fock state of n identical photons, (ii) interfering these photons in an m-mode linear interferometer, and (iii) measuring the resulting output distribution in the Fock basis. It can be shown that sampling approximately from the resulting distribution should be classically hard, under reasonable complexity assumptions. Here I show, under similar assumptions, that exact BosonSampling remains hard even if the linear-optical circuit has constant depth. I also report several experiments performed in collaboration with Quantum Optics groups in Rome and Milan, where three-photon interference was observed in integrated interferometers of various sizes, providing some of the rst implementations of BosonSampling in this regime. The experiments also focus on the bosonic bunching behavior in multimode interferometers, and on the validation of BosonSampling devices. This thesis also contains detailed descriptions of the numerical analyses done on the experimental data, and which were omitted from the corresponding publications.
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Quantum logic operations with continuous variables in a single trapped ion

ARAÚJO, Bruna Gabrielly de Moraes 04 August 2015 (has links)
Submitted by Isaac Francisco de Souza Dias (isaac.souzadias@ufpe.br) on 2016-04-22T17:25:36Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) DISSERTAÇÃO Bruna Gabrielly Moraes Araujo.pdf: 1520286 bytes, checksum: 8710e7e722157c16863f72b3fa57f732 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-22T17:25:36Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) DISSERTAÇÃO Bruna Gabrielly Moraes Araujo.pdf: 1520286 bytes, checksum: 8710e7e722157c16863f72b3fa57f732 (MD5) Previous issue date: 2015-08-04 / CNPQ / Nesta dissertação, tratamos da computação quântica em variáveis contínuas empregando a armadilha de íons como plataforma física. A proposta central deste trabalho consiste na sistematização de uma toolbox com portas lógicas gaussianas a partir da manipulação coerente dos modos de vibração de um íon aprisionado. Através da irradiação de feixes de lasers clássicos monocromáticos e bicromáticos em um íon confinado, propomos portas lógicas gaussianas análogas às operações de ótica linear e não linear. Relacionamos essas portas lógicas a operações já bem conhecidas do caso discreto, tais como transformada de Fourier, gates CNOT e CPHASE. A execução de cada uma dessas operações lógicas é selecionada pela frequência do laser de interação e pelo parâmetro de Lamb-Dicke. Reunindo todas as operações obtidas, gaussianas e não gaussianas, mostramos ser possível com nosso sistema simular hamiltonianas descritas por um polinômio em cada coordenada do espaço de fase, permitindo com isso a realização de dinâmicas hamiltonianas polinomiais nesse espaço. / In this monography, we propose the realization of quantum computation over continuous variables using the ion trap as physical platform. The central idea of our work is to provide a toolbox of Gaussian logic gates from the coherent manipulation of the vibrational modes of a trapped ion. By irradiating monochromatic and bichromatic classical laser beams in a confined ion, we propose gaussian logic gates similar to the operations of linear and nonlinear optics. We connect these gates with operations already employed in the discrete case, such as Fourier, CNOT and CPHASE gates. The execution of each of these logical operations is selected by the frequency of the interacting laser and the Lamb-Dicke parameters. Bringing together all the proposed operations, Gaussian and non-Gaussian, we show the simulation of Hamiltonians with polynomial expansion in the phase space coordinates.
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Sintonizador termoelétrico assistido por férmions de Majorana /

Santos, André Ramalho dos. January 2018 (has links)
Orientador: Antonio Carlos Ferreira Seridonio / Banca: Valdeci Pereira Mariano de Souza / Banca: Claudio Luiz Carvalho / Resumo: Nós estudamos teoricamente como o calor e a eletricidade são afetados pela sobreposição de dois férmions de Majorana (MFs, de Majorana fermions em Inglês), os quais estão isolados nas bordas de um fio topológico de Kitaev, em particular, na forma de "ferradura". É considerado que esse fio está assimetricamente acoplado a um único ponto quântico (QD, de Quantum dot em Inglês) hibridizado com contatos metálicos. Em baixas temperaturas e dependente do nível de energia desse QD, nós mostramos que ao ajustar a assimetria acima, as respostas ressonantes das condutâncias termoelétricas mudam inesperadamente de forma drástica. Assim, propomos como aplicação, um sintonizador termoelétrico em nanoescala assistido por MFs / Abstract: We study theoretically in a topological U-shaped Kitaev wire, with Majorana fermions (MFs) on the edges, how heat and electricity are affected by them when found overlapped. The asymmetric regime of their couplings with a single quantum dot (QD) hybridized with metallic leads is considered. At low temperatures and dependent upon the QD energy level, we show that by tuning this asymmetry, the resonance positions of the thermoelectrical conductances change drastically. Thereby, the tuner of heat and electricity here proposed is constituted / Mestre
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Projeto de um coprocessador quântico para otimização de algoritmos criptográficos. / Project of a quantum coprocessor for crytographic algorithms optimization.

Possignolo, Rafael Trapani 10 August 2012 (has links)
A descoberta do algoritmo de Shor, para a fatoração de inteiros em tempo polinomial, motivou esforços rumo a implementação de um computador quântico. Ele é capaz de quebrar os principais criptossistemas de chave pública usados hoje (RSA e baseados em curvas elípticas). Estes fornecem diversos serviços de segurança, tais como confidencialidade e integridade dos dados e autenticação da fonte, além de possibilitar a distribuição de uma chave simétrica de sessão. Para quebrar estes criptossistemas, um computador quântico grande (2000 qubits) é necessário. Todavia, alternativas começaram a ser investigadas. As primeiras respostas vieram da própria mecânica quântica. Apesar das propriedades interessantes encontradas na criptografia quântica, um criptossistema completo parece inatingível, principalmente devido as assinaturas digitais, essenciais para a autenticação. Foram então propostos criptossitemas baseadas em problemas puramente clássicos que (acredita-se) não são tratáveis por computadores quânticos, que são chamadas de pós-quânticas. Estes sistemas ainda sofrem da falta de praticidade, seja devido ao tamanho das chaves ou ao tempo de processamento. Dentre os criptossistemas pós-quânticos, destacam-se o McEliece e o Niederreiter. Por si só, nenhum deles prevê assinaturas digitais, no entanto, as assinaturas CFS foram propostas, complementandos. Ainda que computadores quânticos de propósito geral estejam longe de nossa realidade, é possível imaginar um circuito quântico pequeno e dedicado. A melhoria trazida por ele seria a diferença necessária para tornar essas assinaturas práticas em um cenário legitimamente pós-quântico. Neste trabalho, uma arquitetura híbrida quântica/clássica é proposta para acelerar algoritmos criptográficos pós-quânticos. Dois coprocessadores quânticos, implementando a busca de Grover, são propostos: um para auxiliar o processo de decodificação de códigos de Goppa, no contexto do criptossistema McEliece; outro para auxiliar na busca por síndromes decodificáveis, no contexto das assinaturas CFS. Os resultados mostram que em alguns casos, o uso de um coprocessador quântico permite ganhos de até 99; 7% no tamanho da chave e até 76; 2% em tempo de processamento. Por se tratar de um circuito específico, realizando uma função bem específica, é possível manter um tamanho compacto (300 qubits, dependendo do que é acelerado), mostrando adicionalmente que, caso computadores quânticos venham a existir, eles viabilizarão os criptossistemas pós-quânticos antes de quebrar os criptossistemas pré-quânticos. Adicionalmente, algumas tecnologias de implementação de computadores quânticos são estudadas, com especial enfoque na óptica linear e nas tecnologias baseadas em silício. Este estudo busca avaliar a viabilidade destas tecnologias como potenciais candidatas à construção de um computador quântico completo e de caráter pessoal. / The discovery of the Shor algorithm, which allows polynomial time factoring of integers, motivated efforts towards the implementation of a quantum computer. It is capable of breaking the main current public key cryptosystems used today (RSA and those based on elliptic curves). Those provide a set of security services, such as data confidentiality and integrity and source authentication, and also the distribution of a symmetric session key. To break those cryptosystem, a large quantum computer (2000 qubits) is needed. Nevertheless, cryptographers have started to look for alternatives. Some of which came from quantum mechanics itself. Despite some interesting properties found on quantum cryptography, a complete cryptosystem seems intangible, specially because of digital signatures, necessary to achieve authentication. Cryptosystems based on purely classical problems which are (believed) not treatable by quantum computers, called post-quantum, have them been proposed. Those systems still lacks of practicality, either because of the key size or the processing time. Among those post-quantum cryptosystems, specially the code based ones, the highlights are the McEliece and the Niederreiter cryptosystems. Per se, none of these provides digital signatures, but, the CFS signatures have been proposed, as a complement to them. Even if general purpose quantum computers are still far from our reality, it is possible to imagine a small dedicated quantum circuit. The benefits brought by it could make the deference to allow those signatures, in a truly post-quantum scenario. In this work, a quantum/classical hybrid architecture is proposed to accelerate post-quantum cryptographic algorithms. Two quantum coprocessors, implementing the Grover search, are proposed: one to assist the decoding process of Goppa codes, in the context of the McEliece and Niederreiter cryptosystems; another to assist the search for decodable syndromes, in the context of the CFS digital signatures. The results show that, for some cases, the use of the quantum coprocessor allows up to 99; 7% reduction in the key size and up to 76; 2% acceleration in the processing time. As a specific circuit, dealing with a well defined function, it is possible to keep a small size (300 qubits), depending on what is accelerated), showing that, if quantum computers come to existence, they will make post-quantum cryptosystems practical before breaking the current cryptosystems. Additionally, some implementation technologies of quantum computers are studied, in particular linear optics and silicon based technologies. This study aims to evaluate the feasibility of those technologies as potential candidates to the construction of a complete and personal quantum computer.
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A evolução temporal de sistemas de spins 1/2 congelados no espaço e descritos pelo modelo de Heisenberg / The time-evolution of, frozen in the space, spins 1/2 systems described by Heinsenberg model

Santos, Marcelo Meireles dos 13 November 2012 (has links)
Este projeto se destina ao estudo de sistemas quânticos não relativísticos de dois, quatro e oito níveis de energia que descrevem partículas com spin s=1/2 sujeitas à ação de campos externos e interagentes entre si. São apresentadas soluções exatas para as equações que regem esses sistemas. Tais sistemas possuem uma vasta aplicação em diversas áreas da física, dentre as quais é possível destacar a computação quântica. Possíveis aplicações dos resultados são a construção de portas lógicas quânticas universais. Estas portas lógicas quânticas representam um elemento essencial no desenvolvimento dos chamados computadores quânticos. A análise e a implementação destes computadores quânticos exige a manipulação de sistemas de vários níveis, sujeitos a campos externos dependentes do tempo. Neste trabalho é apresentada a solução para o assim chamado Problema de Rabi, um particular problema de dois níveis. Um exemplo de solução para o sistema de quatro níveis, aqui relativo a um problema de dois spins também é discutido. Foram obtidas soluções exatas para sistemas de oito níveis cuja possível aplicação é a Correção Quântica de Erros. / This project aims to study the non-relativistic quantum systems of two, four and eight energy levels that describe particles with spin s=1/2 in external .elds and interacting with each other. We find exact analitical solutions for these systems. Such systems have extensive applications in various areas of physics, among which its possible to highlight quantum computing. Possible applications of the results are the construction of quantum universal logic gates.These quantum logic gates are an essential element in the development of so-called quantum computers. The analysis and implementation of quantum computers requires handling systems of various levels, subject to time-dependent external fields. This work presents a solution to the so-called Rabi problem, a particular problem at two levels. An example of a solution to the system of four levels, related to two spins problem is also investigated. We obtained exact solutions for systems of eight levels with possible application to the Quantum Error Correction.
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Criptografia quântica em redes de informação crítica - aplicação a telecomunicações aeronáuticas. / Quantum cryptography in critical information networks - application to aeronautical telecommunications.

Costa, Carlos Henrique Andrade 17 June 2008 (has links)
Ocorre atualmente um movimento de aumento da importância que a manutenção da segurança da informação vem adquirindo em redes de informação de crítica. Ao longo das últimas décadas a utilização de ferramentas criptográficas, especialmente aquelas baseadas em problemas de díficil solução computacional, foram suficientes para garantir a segurança dos sistemas de comunicação. Contudo, o desenvolvimento da nova técnica de processamento de informação conhecida como computação quântica e os resultados téoricos e experimentais apresentados por esta mostram que é possível inviabilizar alguns dos sistemas de criptografia atuais amplamente utilizados. A existência de tal vulnerabilidade representa um fator crítico em redes em que falhas de segurança da informação podem estar associadas a riscos de segurança física. Uma alternativa para os métodos criptográficos atuais consiste na utilização de sistemas quânticos na obtenção de um método criptográfico, o que se conhece como criptografia quântica. Este novo paradigma tem seu fundamento resistente mesmo na presença de capacidade tecnológica ilimitada, incluindo o cenário com disponibilidade de computação quântica. Este trabalho tem como objetivo levantar os impactos que o desenvolvimento da computação quântica têm sobre a segurança dos atuais sistemas criptográficos, apresentar e desenvolver alternativas de protocolos de criptografia quântica disponíveis, e realizar um estudo de caso por meio da avaliação da utilização de criptografia quântica no contexto da Aeronautical Telecommunication Network (ATN). Isto é feito por meio do desenvolvimento de um ambiente de simulacão que permite avaliar o comportamento de um protocolo de criptografia quântica em um cenário em um ambiente com requisitos de missão crítica, como é o caso da ATN. / The importance of security maintenance in critical information networks has been rising in recent times. Over the past decades, the utilization of cryptography tools, mainly those based on computationally intractable problems, was enough to ensure the security of communications systems. The development of the new information processing technique known as quantum computation and the theoretical and experimental results showed by this approach demonstrated that could be possible to cripple the current widely used cryptography techniques. This vulnerability represents a critical issue for networks where a security fault could be associated to a safety fault. An alternative for the current cryptography methods consists in the utilization of quantum systems to obtain a new cryptographic method. The new paradigm presented by this approach has solid principles even in the presence of unlimited computational capacity, including the scenario with availability of quantum computation. The aim of this work is the assessment of impacts that the development of quantum computation has over the current cryptographic methods security, the presentation and development of alternatives based on quantum cryptography protocols, and the development of a case study using the case of Aeronautical Telecommunication Network (ATN). This aim is reached by means of the development of a simulation environment that allows the evaluation of a quantum cryptography protocol behavior in an environment with mission critical requirements, like the ATN case.
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Spin relaxation in semiconductor nanostructures / Relaxação de spin em nanoestruturas semicondutoras

Hachiya, Marco Antonio de Oliveira 01 November 2013 (has links)
In the research field of spintronics, it is essential to have a deep understanding of the relaxation mechanisms of the spin degree of freedom. To this end, we study the spin relaxation in semiconductor nanostructures with spin-orbit interaction. First we analyze the spin decay and dephasing in graphene quantum dots within the framework of the Bloch-Redfield theory. We consider a gate-tunable circular graphene quantum dot where the intrinsic and Rashba spin-orbit interactions are operative. We derive an effective Hamiltonian via the Schrieffer-Wolff transformation describing the coupling of the electron spin to potential fluctuations generated by the lattice vibrations. The spin relaxation occurs with energy relaxation provided by the electron-phonon coupling and the spin-flip transition assisted by spin-orbit interactions. We predict a minimum of the spin relaxation time T1 as a function of the external magnetic field Bext caused by the Rashba spin-orbit coupling-induced anticrossing of opposite spin states. By constrast, the intrinsic spin-orbit interaction leads to monotonic behavior of T1 with Bext due to direct spin-phonon coupling. We also demonstrate that the spin decoherence time T2 = 2T1 in graphene is dominated by relaxation processes up to leading order in the spin-orbit interaction and the electron-phonon coupling mechanisms. Secondly, we develop a numerical model to account for the D´yakonov-Perel spin relaxation mechanism in multisubband quantum wires. We consider the elastic spin-conserving scattering events in the time-evolution operator and then evaluate the time-dependent expectation value of the spin operators. After averaging these results over an ensemble, we can extract the spin relaxation time as a function of Bext. We observe a non-monotonic behavior for the spin relaxation time with Bext aligned perpendicularly to the quantum wire. This effect is called ballistic spin resonance. In our model, the ballistic spin resonance occurs near the subband anticrossing induced by the subband-spin mixing spin-orbit interaction term. In systems with weak spin-orbit coupling strenghts, no spin resonance is observed when Bext is parallel to the channel. Nevertheless, we also predict the emergence of anomalous resonances plateaus in systems with strong spin-orbit couplings even when Bext is aligned with the quantum wire. Finally, we predict the emergence of a robust spin-density helical crossed pattern in two-dimensional electron gas with Rashba α and Dresselhaus β spin-orbit couplings. This pattern arises in a quantum well with two occupied subbands when the spin-orbit coupling strenghts are tuned to have equal absolute strengths but opposite signs, e.g., α1 = +β1 e α2 = −β2 for the first v = 1 and second v = 2 subbands. We named this novel pattern as crossed persistent spin helices. We analyze the spin-charge coupled diffusion equations in order to investigate the lifetime of the crossed persistent spin helices and the feasibility of probing the crossed persistent spin helix mode. We also study the inteband spin-orbit interaction effects on the crossed persistent spin helices, energy anticrossings and spin textures induced by the interband spin-orbit coupling / No campo de pesquisa denominado spintrônica é de fundamental importância o entendimento dos mecanismos de relaxação de spin. A fim de contribuir com esse objetivo, estudamos a relaxação de spin em nanoestruturas semicondutoras na presença da interação spin-órbita. Primeiramente, analisamos o decaimento e defasamento do spin eletrônico em pontos quânticos formados no grafeno usando a teoria de Bloch-Redfield. Consideramos um ponto quântico circular com as interações spin-órbita intrínseca e de Rashba. A relaxação de spin ocorre via relaxacação de energia pela interação elétron-fônon acompanhado do mecanismo de spin-flip auxiliado pela interação spin-órbita. Previmos a presença de um mínimo no tempo de relaxação de spin T1 em função do campo magnético externo Bext causado pelo acoplamento spin-órbita de Rashba que por sua vez leva a cruzamento evitado de níveis de energia com spins opostos. Em contraste, a interação spin-órbita intrínseca gera um comportamento monotônico de T1 com Bext devido ao acoplamento direto spin-fônon. Demonstramos também que o tempo de decoerência de spin T2 = 2T1 é dominado por contribuições dos mecanismos de relaxação em primeira ordem na interação spin-órbita e na interação elétron-fônon. Desenvolvemos também um modelo numérico que leva em conta o mecanismo de relaxação de spin de D´yakonov-Perel em fios quânticos com múltiplas subbandas. Consideramos espalhamentos elásticos, que conservam a orientação do spin, no operador evolução temporal. Em seguida, calculamos o valor esperado dos operadores de spin dependentes do tempo para um ensemble de elétrons. Por fim, extraímos o tempo de relaxação de spin em função do campo magnético externo Bext. Observamos um comportamento não-monotônico da relaxação de spin para um campo Bext alinhado perpendicularmente ao fio quântico. Em sistemas com acoplamento spin-órbita fracos, nenhuma ressonância de spin é encontrada quando Bext está alinhado paralelamento ao fio quântico. No entanto, previmos o aparecimento de ressonâncias de spin anômalas em sistemas com forte acoplamento spin-órbita mesmo quando Bext está alinhado ao canal balístico. Por fim, estudamos a formação de uma densidade de spin helicoidal cruzada e robusta contra espalhamento por impurezas em um gás bi-dimensional de elétrons na presença das interações spin-órbita de Rashba α and Dresselhaus β. Generalizamos o efeito previsto para um poço quântico com uma subbanda para duas subbandas ocupadas quando as interações spin-órbita assumem o mesmo valor em intensidade mas sinais opostos, e.g., α1 = +β1 e α2 = −β2 para a primeira v = 1 e segunda v = 2 subbandas. Denominamos esse novo padrão de helicóides de spin persistentes e cruzadas. Analisamos as equações de difusão com carga e spin acoplados com o intuito de investigarmos o tempo de vida das densidades de spin helicoidais cruzadas e a possibilidade de medi-las com os experimentos atuais. Estudamos também o efeito da interação spin-órbita interbanda na relaxação dos modos helicoidais de spin, espectro de energia com cruzamentos evitados e texturas de spin

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