Made available in DSpace on 2014-06-12T18:07:03Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7807_1.pdf: 3915915 bytes, checksum: 95110fd64955149594a91364ca2924b9 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2005 / Controle quântico coerente tem por objetivo impulsionar um sistema quântico a atingir um determinado estado final desejado. Seu estudo é amplamente realizado hoje em dia para manipular transições em sistemas atômicos, quebrar ligações moleculares e otimizar a eficiência em reações químicas, por exemplo. Nesta tese serão apresentados resultados experimentais e teóricos do controle temporal coerente parcial em duas transições distintas, ambas de dois fótons em átomos de Rubídio, sendo a principal diferença entre elas a presença ou não de ressonância com um nível intermediário. A primeira transição explorada ocorre entre os níveis 5S e 7S e não apresenta esta ressonância sendo, portanto, mais simples de ser estudada. Por outro lado, a segunda transição 5S-5P-5D possui ressonância com o nível intermediário 5P3/2 e por conta disto propicia, por exemplo, o aparecimento de efeitos de propagação, inexistentes na transição 5S-7S. Estas duas transições foram excitadas por pares de pulsos ultracurtos de separação temporal variável. O controle coerente parcial foi atingido através da manipulação da fase do campo elétrico de um destes dois pulsos que incidem sobre o sistema atômico. Esta manipulação foi realizada utilizando-se um meio material para introduzir uma fase cuja amplitude, largura e posição do degrau relativa ao espectro do pulso permitiu controlar interferências entre os diversos caminhos quânticos possíveis ao sistema. Configurações adequadas desta função de fase proporcionaram uma diminuição parcial ou total (anulação) da absorção de dois fótons para determinados valores do atraso temporal entre os pulsos. No caso da transição 5S-5P-5D, interações entre os efeitos de propagação e manipulação de fase foram detectadas e deformações provocadas pela propagação foram controladamente modificadas. A descrição teórica destas situações experimentais foi feita utilizando-se teoria de perturbação de segunda ordem em um sistema de três níveis, tratando-se separadamente os casos com e sem ressonância intermediária. Através desta análise teórica, algumas das características essenciais presentes nos resultados experimentais foram qualitativamente compreendidas. Apesar de não se ter obtido valores teóricos corretos para determinadas variáveis experimentais no caso da transição 5S-5P-5D, pôde-se, através desta teoria, entender as variações de amplitude nos picos centrais e laterais e o aparecimento de oscilações de período 473 fs referentes a interferências quânticas nos sinais de fluorescência desta transição. Até o presente momento, não se tem notícia de trabalhos que explorem o controle coerente temporal parcial destas duas transições desta maneira

Submitted by Biblioteca do Instituto de Física (bif@ndc.uff.br) on 2017-05-26T19:34:31Z No. of bitstreams: 1 Dissertação.pdf: 1212821 bytes, checksum: 3c2cd12e7c8acf06d2652fbc21d288f5 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-26T19:34:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação.pdf: 1212821 bytes, checksum: 3c2cd12e7c8acf06d2652fbc21d288f5 (MD5) / Nesse trabalho encontramos as funções de onda exatas para sistema quântico do oscilador harmônico com massa m(t) e frequência w(t) dependentes do tempo através do método do invariante de Lewis e Riesenlfed. A partir disso, calculamos a expressão exata da probabilidade de transição de um estado inicial dependente de m(t) e w(t) para um estado final estacionário conhecido. Assim aplicamos um modelo de massa e depois de frequência, ambos dependentes do tempo e de um parâmetro constante [gama], de modo que controlamos o valor de [gama] para obter a máxima transição. Fizemos o mesmo procedimento para o oscilador harmônico forçado com força externa f(t), calculamos a função de onda exata do sistema, e a expressão exata da probabilidade de transição de um estado inicial dependente de f(t) para um estado final estacionário conhecido. Portanto determinamos, ou controlamos, o valor de [gama] presente em f(t) para maximizar a transição entre os estados. / In this work we found the exact wave functions for the quantum harmonic oscillator system with time-dependent mass m(t) and frequency w(t) through the method of Lewis and Riesenfeld invariant, and from that we calculated the exact expression of the transition probability from a initial state depending on m(t) and w(t) to a final known stationary state. Then we applied this method to a mass model and subsequently to a frequency model, both dependent on time and on a constant parameter [gama], so that the the value of [gama] is controlled for obtaining the maximum transition probability. We applied the same procedure to the forced harmonic oscillator with external force f(t), calculated the exact wave wave function of that system, and then calculated its exact transition probability from a initial state depending of f(t) to a final known stationary state, thereby determining, or controlling, the value [gama] of in f(t) for maximizing the transition betweenthose states.

Submitted by Marlene Santos (marlene.bc.ufg@gmail.com) on 2016-05-05T17:45:20Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Eric Johnn Mascarenhas - 2016.pdf: 3232457 bytes, checksum: aa97affac22ae94f56ea3535f79a6d2c (MD5) license_rdf: 19874 bytes, checksum: 38cb62ef53e6f513db2fb7e337df6485 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2016-05-06T11:01:45Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Eric Johnn Mascarenhas - 2016.pdf: 3232457 bytes, checksum: aa97affac22ae94f56ea3535f79a6d2c (MD5) license_rdf: 19874 bytes, checksum: 38cb62ef53e6f513db2fb7e337df6485 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-06T11:01:45Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Eric Johnn Mascarenhas - 2016.pdf: 3232457 bytes, checksum: aa97affac22ae94f56ea3535f79a6d2c (MD5) license_rdf: 19874 bytes, checksum: 38cb62ef53e6f513db2fb7e337df6485 (MD5) Previous issue date: 2016-02-19 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Apesar de grande volume teórico da área de computação e informação quântica, poucas realizações físicas de um computador quântico foram estudadas. As tentativas já realizadas incluem eletrodinâmica quântica de cavidade (BRUNE et al., 1996), armadilhas de íons (CIRAC; ZOLLER, 1995), ressonância magnética nuclear (JONES; MOSCA, 1998), fótons (LANYON et al., 2008) e até spins em materiais semicondutores (TAYLOR et al., 2005). Dessas tentativas, o sucesso para o processamento de informação quântica não passou de algumas dezenas de operações realizadas por poucos qubits (do inglês quantum-bit, uma unidade de informação quântica binária). Muito ainda precisa ser estudado para que uma idealização física de um computador quântico possa chegar a ser de fato útil. A ideia de um computador baseado nos princípios da mecânica quântica veio à tona em 1982 com uma publicação de Feynman (FEYNMAN, 1982) trazendo um interessante questionamento acerca dos computadores denominados clássicos: Pode um computador baseado em fenômenos essencialmente clássicos simular completamente a natureza como se conhece e apresentar os mesmos resultados das observações realizadas experimentalmente? No mesmo trabalho, em um texto extremamente claro e agradável, Feynman chega à conclusão de que se a natureza age de maneira quântica, apenas um computador construído com base em fenômenos quânticos poderia simular com sucesso as observações experimentais. Assim, qualquer sistema regulado pelas leis da mecânica quântica pode ser candidato físico para implementação de um computador quântico. Deste ponto de vista, os níveis vibracionais de sistemas moleculares devido a sua natureza são candidatos por excelência na implementação de computadores quânticos. O número de qubits em um sistema molecular vibracional é proporcional ao número de graus de liberdade vibracionais o qual é dado por 3N 􀀀6 para uma molécula de N átomos não linear e 3N 􀀀5 para uma molécula de N átomos linear. Assim, operações de vários qubits podem ser realizadas implementando apenas algumas moléculas ou ainda, mais níveis vibracionais podem ser utilizados para representar operações quânticas com lógica não-binária. Vale salientar, que as excitações dos níveis vibracionais das moléculas são estáveis na escala de tempo de 6 interesse das operações computacionais. Neste trabalho é estudado o controle coerente de sistemas moleculares por meio de pulsos p e o efeito da anarmonicidade no controle populacional dos níveis vibracionais moleculares, utilizando a superfície de energia potencial calculada por métodos ab-initio da molécula de CS2 e através do potencial de Morse parametrizado para representar as vibrações da ligação O􀀀H. Os estudos realizados visam aplicações de sistemas moleculares à computação quântica. Seguindo a abordagem de outros estudos (ZHAO; BABIKOV, 2007; MISHIMA; TOKUMO; YAMASHITA, 2008; BABIKOV, 2004; TROPPMANN; TESCH; VIVIE-RIEDLE, 2003; MISHIMA; YAMASHITA, 2010), serão utilizados os modos vibracionais do íon SCN􀀀 como qubits a fim de propor a aplicabilidade desta molécula na implementação de portas lógica quânticas. / Apesar de grande volume teórico da área de computação e informação quântica, poucas realizações físicas de um computador quântico foram estudadas. As tentativas já realizadas incluem eletrodinâmica quântica de cavidade (BRUNE et al., 1996), armadilhas de íons (CIRAC; ZOLLER, 1995), ressonância magnética nuclear (JONES; MOSCA, 1998), fótons (LANYON et al., 2008) e até spins em materiais semicondutores (TAYLOR et al., 2005). Dessas tentativas, o sucesso para o processamento de informação quântica não passou de algumas dezenas de operações realizadas por poucos qubits (do inglês quantum-bit, uma unidade de informação quântica binária). Muito ainda precisa ser estudado para que uma idealização física de um computador quântico possa chegar a ser de fato útil. A ideia de um computador baseado nos princípios da mecânica quântica veio à tona em 1982 com uma publicação de Feynman (FEYNMAN, 1982) trazendo um interessante questionamento acerca dos computadores denominados clássicos: Pode um computador baseado em fenômenos essencialmente clássicos simular completamente a natureza como se conhece e apresentar os mesmos resultados das observações realizadas experimentalmente? No mesmo trabalho, em um texto extremamente claro e agradável, Feynman chega à conclusão de que se a natureza age de maneira quântica, apenas um computador construído com base em fenômenos quânticos poderia simular com sucesso as observações experimentais. Assim, qualquer sistema regulado pelas leis da mecânica quântica pode ser candidato físico para implementação de um computador quântico. Deste ponto de vista, os níveis vibracionais de sistemas moleculares devido a sua natureza são candidatos por excelência na implementação de computadores quânticos. O número de qubits em um sistema molecular vibracional é proporcional ao número de graus de liberdade vibracionais o qual é dado por 3N 􀀀6 para uma molécula de N átomos não linear e 3N 􀀀5 para uma molécula de N átomos linear. Assim, operações de vários qubits podem ser realizadas implementando apenas algumas moléculas ou ainda, mais níveis vibracionais podem ser utilizados para representar operações quânticas com lógica não-binária. Vale salientar, que as excitações dos níveis vibracionais das moléculas são estáveis na escala de tempo de 6 interesse das operações computacionais. Neste trabalho é estudado o controle coerente de sistemas moleculares por meio de pulsos p e o efeito da anarmonicidade no controle populacional dos níveis vibracionais moleculares, utilizando a superfície de energia potencial calculada por métodos ab-initio da molécula de CS2 e através do potencial de Morse parametrizado para representar as vibrações da ligação O􀀀H. Os estudos realizados visam aplicações de sistemas moleculares à computação quântica. Seguindo a abordagem de outros estudos (ZHAO; BABIKOV, 2007; MISHIMA; TOKUMO; YAMASHITA, 2008; BABIKOV, 2004; TROPPMANN; TESCH; VIVIE-RIEDLE, 2003; MISHIMA; YAMASHITA, 2010), serão utilizados os modos vibracionais do íon SCN􀀀 como qubits a fim de propor a aplicabilidade desta molécula na implementação de portas lógica quânticas.

Inicialmente, os conceitos fundamentais e a problemática básica subjacentes ao Controle de Sistemas Quânticos são apresentados, destacando-se, por exemplo, as questões físicas e dinâmicas envolvidas, os principais tipos e metodologias de controle no contexto quântico, bem como aplicações existentes e potenciais de Controle Quântico, muitas das quais situando-se na vanguarda da Ciência e da Tecnologia. Segue-se uma exposição do arcabouço teórico básico e do formalismo padrão da Mecânica Quântica, tendo em vista prover os elementos necessários à compreensão de sistemas quânticos, sua dinâmica e seu controle. O conceito de Controlabilidade é, então, apresentado no contexto de Sistemas Quânticos. Em seqüência, os fundamentos do Controle Quântico Ótimo são desenvolvidos como uma extensão da Teoria Clássica de Controle Ótimo, apresentando-se exemplos de aplicações. Ao problema da transferência de estados quânticos para um estado-alvo em tempo mínimo é devotada especial atenção, dada sua grande relevância em aplicações tecnológicas de ponta, como em Computação Quântica e Processamento de Informação Quântica. A partir de limitações físicas que são inerentes a qualquer sistema quântico, no tocante ao tempo mínimo necessário para que ocorra uma transição de estados, propõem-se Fatores de Mérito para quantificar a eficiência dos controles quânticos ótimos que minimizam o tempo de transferência de estados. Exemplos de aplicação, estudos teóricos e estudos de casos são levados a cabo para a definição dos Fatores de Mérito associados. Este trabalho termina com estudos relativos a uma possível formulação da Teoria de Controle Quântico Ótimo em termos de Integrais de Trajetória para o tratamento de sistemas quânticos contínuos, em especial, o controle espaço-temporal de partículas quânticas. Um possível emprego do Efeito Aharonov-Bohm é também discutido como estratégia de Controle Quântico. / Firstly, the fundamental concepts and the basic issues concerning the Control of Quantum Systems are presented, highlighting, for example, related physical and dynamical questions, the main control types and methodologies in the quantum context, as well as current and potential applications of Quantum Control, many of them situated on the avant-garde of Science and Technology. Then follows an exposition of the basic theoretical framework and the standard formalism of Quantum Mechanics, whose aim is to provide the necessary elements for understanding quantum systems, quantum dynamics and control. The concept of Controlability is then presented in the context of Quantum Systems. Subsequently, the fundamental concepts of Quantum Optimal Control are developed as an extension of the Classical Optimal Control Theory, featuring some examples of application. To the problem of transfering quantum states to a certain target state at minimal time a special attention is devoted, having in mind its great relevance in state-of-art technological applications, e.g., Quantum Computation and Quantum Information Processing. From physical limitations that are inherent to any quantum systems, regarding the minimal time necessary to perform a state transition, one proposes Figures of Merit in order to quantify the efficiency of optimal quantum controls which minimize the state transfer time. Examples of applications, theoretical studies and case studies are carried out in order to define the associated Figures of Merit. This work ends with studies concerning a possible formulation of Optimal Quantum Control Theory in terms of Path Integrals for handling continuous quantum systems, particularly, the space-time control of quantum particles. A possible use of the Aharonov-Bohm Effect is also discussed as a Quantum Control strategy.

Inicialmente, os conceitos fundamentais e a problemática básica subjacentes ao Controle de Sistemas Quânticos são apresentados, destacando-se, por exemplo, as questões físicas e dinâmicas envolvidas, os principais tipos e metodologias de controle no contexto quântico, bem como aplicações existentes e potenciais de Controle Quântico, muitas das quais situando-se na vanguarda da Ciência e da Tecnologia. Segue-se uma exposição do arcabouço teórico básico e do formalismo padrão da Mecânica Quântica, tendo em vista prover os elementos necessários à compreensão de sistemas quânticos, sua dinâmica e seu controle. O conceito de Controlabilidade é, então, apresentado no contexto de Sistemas Quânticos. Em seqüência, os fundamentos do Controle Quântico Ótimo são desenvolvidos como uma extensão da Teoria Clássica de Controle Ótimo, apresentando-se exemplos de aplicações. Ao problema da transferência de estados quânticos para um estado-alvo em tempo mínimo é devotada especial atenção, dada sua grande relevância em aplicações tecnológicas de ponta, como em Computação Quântica e Processamento de Informação Quântica. A partir de limitações físicas que são inerentes a qualquer sistema quântico, no tocante ao tempo mínimo necessário para que ocorra uma transição de estados, propõem-se Fatores de Mérito para quantificar a eficiência dos controles quânticos ótimos que minimizam o tempo de transferência de estados. Exemplos de aplicação, estudos teóricos e estudos de casos são levados a cabo para a definição dos Fatores de Mérito associados. Este trabalho termina com estudos relativos a uma possível formulação da Teoria de Controle Quântico Ótimo em termos de Integrais de Trajetória para o tratamento de sistemas quânticos contínuos, em especial, o controle espaço-temporal de partículas quânticas. Um possível emprego do Efeito Aharonov-Bohm é também discutido como estratégia de Controle Quântico. / Firstly, the fundamental concepts and the basic issues concerning the Control of Quantum Systems are presented, highlighting, for example, related physical and dynamical questions, the main control types and methodologies in the quantum context, as well as current and potential applications of Quantum Control, many of them situated on the avant-garde of Science and Technology. Then follows an exposition of the basic theoretical framework and the standard formalism of Quantum Mechanics, whose aim is to provide the necessary elements for understanding quantum systems, quantum dynamics and control. The concept of Controlability is then presented in the context of Quantum Systems. Subsequently, the fundamental concepts of Quantum Optimal Control are developed as an extension of the Classical Optimal Control Theory, featuring some examples of application. To the problem of transfering quantum states to a certain target state at minimal time a special attention is devoted, having in mind its great relevance in state-of-art technological applications, e.g., Quantum Computation and Quantum Information Processing. From physical limitations that are inherent to any quantum systems, regarding the minimal time necessary to perform a state transition, one proposes Figures of Merit in order to quantify the efficiency of optimal quantum controls which minimize the state transfer time. Examples of applications, theoretical studies and case studies are carried out in order to define the associated Figures of Merit. This work ends with studies concerning a possible formulation of Optimal Quantum Control Theory in terms of Path Integrals for handling continuous quantum systems, particularly, the space-time control of quantum particles. A possible use of the Aharonov-Bohm Effect is also discussed as a Quantum Control strategy.