Orientador: Marcos Cesar de Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-14T22:41:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SaNeto_OlimpioPereirade_M.pdf: 2183642 bytes, checksum: 1db9639afd1e7c5b802c3e8608ea049f (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Nesta dissertação de mestrado foi analisada a eficiência de um esquema de codificação específico de bits quânticos em estados de campos eletromagnéticos quânticos em linhas de transmissão coplanares acopladas a um dispositivo supercondutor, o "Átomo Artificial", sob a ação de um banho ôhmico. O objetivo central desta pesquisa é estudar a Eletrodinâmica Quântica de Cavidades, bem como aspectos de implementação de dispositivos para computação quântica. Neste contexto, nossa proposta de pesquisa consiste em estudar um esquema prático de processamento de informação eficiente, explorando recursos físicos de um sistema real / Abstract: In this dissertation we analyse the efficiency of a specific quantum bit encoding in a quantum electromagnetic field state prepared in a coplanar transmission line coupled to a single superconducting device, the "Artificial Atom", under action of external noise sources affecting the efficiency of the device. The central objective is to study the circuit cavity quantum electrodynamics and to propose practical aspects of devices for quantum computation implementation / Mestrado / Física / Mestre em Física

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2839.pdf: 834062 bytes, checksum: ed4f27eba9e2faa1c94945a6631c70d0 (MD5) Previous issue date: 2010-03-03 / Universidade Federal de Sao Carlos / In this work we investigated the engineering of interactions and reservoirs in the context of Cavity Quantum Electrodynamics. The investigated system consists of two identical three-level atoms trapped in two distinct traps, but inside the same optical cavity, inte- racting with the cavity mode and driven by classical .elds to manipulate the atom-.eld interaction. First, we assume the atomic system interacts with a high-Q cavity and show how to generate a displaced squeezed state for cavity mode asymptotically, i.e., we con- structed an arti.cial squeezed reservoir for the cavity mode. For this purpose we assume, in addition to the engineered atom-.eld interaction, a strong decay of the atoms (i.e., the atomic decay rate must be much stronger than the e¤ective atom-.eld coupling). Next, considering a cavity with strong decay rate, we investigated how to protect atomic entangled states as the Bell states. Here, the cavity mode acts as an arti.cial squeezed reservoir for the atoms, leading the system to the desired state asymptotically. In both cases, we considered only two e¤ective levels for atoms, reaching an interaction which comprehends the simultaneous implementation of the Jaynes-Cummings and anti- Jaynes-Cummings Hamiltonians. / Nesta dissertação, investigamos a engenharia de interações e de reservatório em Eletrodi- nâmica Quântica de Cavidades. O sistema investigado consiste em átomos (íons), em uma dada con.guração de níveis, interagindo com um modo do campo de radiação aprisionado numa cavidade. O uso de campos clássicos externos se fez necessário para obtermos as interações desejadas. Primeiramente investigamos a interação de dois átomos idênticos de três níveis, con.- nados numa cavidade supercondutora de alto fator de qualidade, interagindo com o modo do campo desta e campos clássicos externos, e mostramos como gerar, assintoticamente, um estado coerente comprimido para o modo da cavidade, isto é, construímos um reser- vatório de modos comprimidos arti.cial para o campo de radiação da cavidade. Aqui, foi necessário assumir um forte decaimento atômico, ou seja, supomos que a taxa de decai- mento atômica era muito maior do que o acoplamento efetivo entre átomos e campos. Em seguida, utilizando do mesmo sistema anterior, estudamos como gerar estados emaranhados, relativos à base de Bell, entre os átomos. Porém, nesta etapa, a necessidade foi de um forte decaimento no modo da cavidade, utilizando, então, uma cavidade de baixo fator de qualidade. Em ambos os casos, consideramos apenas dois níveis efetivos para os átomos, al- cançando, assim, uma interação efetiva entre átomo e modo da cavidade correspondente à realização simultânea dos Hamiltonianos Jaynes-Cummings e anti-Jaynes-Cummings.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4958.pdf: 1123197 bytes, checksum: 3891aa4b08428df497d8bd21a99744de (MD5) Previous issue date: 2013-02-27 / Financiadora de Estudos e Projetos / The Rabi model is the most complete one has to describe the interaction between radiation and matter. However, as it is difficult to obtain the exact solution to this model, many of recent atom-field studies have used the Jaynes-Cummings model, which eliminates the "counter rotating" terms from the Rabi Hamiltonian in an approach known as "rotating wave approximation". This approach was very precise to describe many experiments in quantum optics area in the past two decades, especially in the context of cavity quantum electrodynamics, where the atom-field coupling g is very weak compared to the atomic transition frequency ω0 and the cavity field frequency ωc. However, in recent experiments in the context of circuit quantum electrodynamics, the atom-field coupling can be comparable to the atom and field frequencies so that the rotating wave approximation is no longer valid. A first goal of the present work is to examine the validity of the rotating-wave approximation in the context of circuit quantum electrodynamics. We also take into account the dissipation of the system, and to do that we have analyzed two different models: a phenomenological approach where the master equation is derived by adding the free decay of the atom and the field, regardless of the interaction between them, and another microscope, where the master equation is derived by taking into account the interaction between the atom and the field. We then investigate what happens when one has two atoms interacting with the same field in the cavity, considering, for example, the "spontaneous" generation of correlations between the atoms mediated by the field, that is, assuming initially all subsystems (atoms and field) in their ground states, we study the dynamics of correlations generated between the atoms. To quantify those correlations we employ measures as quantum discord and entanglement of formation. / O modelo de Rabi é o mais completo que se tem para entender a interação entre radiação e matéria. Entretanto, por não se ter uma solução exata para esse modelo, muitos trabalhos recentes têm recorrido ao modelo de Jaynes-Cummings, que elimina do Hamiltoniano do sistema os termos contragirantes , em um processo conhecido como Aproximação de onda girante . Essa aproximação tem sido bastante precisa para descrever os experimentos na área de Óptica Quântica nas últimas duas décadas, especialmente no contexto da Eletrodinâmica Quântica de Cavidades, onde o acoplamento átomo-campo g é muito fraco comparado com a frequência de transição atômica ω0 e a frequência da cavidade ωc. Entretanto, em recentes experimentos no contexto de Eletrodinâmica Quântica de Circuitos, o acoplamento átomo-campo tem atingido valores comparáveis aos das frequências do átomo e do campo, de modo que a aproximação de onda girante deixa de ser válida. É nesse contexto que esse trabalho se encontra, isto é, avalia as situações em que a aproximação de onda girante deixa de ser válida e mostra, através da análise de algumas propriedades do sistema, as diferenças devidas à escolha do modelo. Levamos também em conta a dissipação do sistema, e para isso analisamos dois modelos distintos: um fenomenológico, onde a equação mestra é deduzida adicionando-se os decaimentos do átomo e do campo independentemente da interação entre eles, e outro microscópico, onde a equação mestra é deduzida considerando-se a interação entre o átomo e o campo. Investigamos, então, o que acontece quando se tem dois átomos interagindo com o mesmo campo na cavidade, analisando, por exemplo, a geração "espontânea" de correlações entre os átomos mediada pelo campo, isto é, assumindo que todos os subsis- temas (átomo e campo) estão inicialmente no seus estados fundamentais, nós estudamos a dinâmica das correlações geradas entre os átomos. Para quantificar essas correlações utilizamos medidas de discórdia quântica e emaranhamento de formação.

Orientador: Jose Antonio Roversi / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-09T22:35:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Meneguele_HugoLeonardodeOliveira_M.pdf: 4373941 bytes, checksum: 4efca6ce7c6517706ffe61c248036b0c (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Neste trabalho, estudamos o emaranhamento quântico entre dois átomos, que surge quando ambos interagem com o mesmo campo em uma cavidade. A interação é descrita pelo Modelo de Jaynes-Cummings para processos de 1 e 2 f ótons, sendo analisadas as diferenças na dinâmica de emaran-hamento devidas aos processos distintos. A cavidade é preparada em estados comprimidos de 1 e 2 modos, sendo analisada a influência da compressão inicial no emaranhamento atômico obtido, em termos do máximo emaranhamento possível para cada situação, bem como a robustez e persistência do emaranhamento gerado em relação à compressão. Encontramos que a compressão de um modo é, de modo geral, danosa ao emaranhamento, embora também provoque um efeito de deslocamento nos instantes de interção que gera ganhos para instantes de baixo emaranhamento. Processos de 2 f ótons em campos comprimidos de 1 modo fazem com que o emaranhamento se torne mais robusto, sendo mais persistente contra os efeitos redutores da compressão. Para campos comprimidos de 2 modos, a compressão aumenta o emaranhamento entre os modos da cavidade e reduz entre os átomos; estes dois efeitos concorrentes podem ser combinados de forma a gerarem um ganho de emaranhamento atômico para tempos de interação específicos / Abstract: In this work, we studied the quantum entanglement between two atoms, arising from their interactions with the same cavity field. This interaction follows the Jaynes-Cummings Model for 1 and 2 photons processes, being analized the differences in entanglement dynamics due to distinct processes. The cavity is prepared in 1-and 2-modes squeezed states, being analized the initial squeezing¿s influence in the obtained atomic entanglement, in terms of the highest possible entanglement for each situation, as well as the robustness and persistence of the generated entanglement in relation to squeezing. We found that 1 mode squeezing is, generally speaking, harmful to entanglement, although it also causes a displacement effect in the interaction times, which in turn generates gain for low-entanglement moments. 2-photons processes in 1- mode squeezed fields makes more robust entanglement, which is more persistent against reductive effects by squeezing. For 2- modes squeezed fields, squeezing enhances entanglement between the cavity modes and reduces entanglement between atoms; these two competing effects can be combined as to generate a gain in atomic entanglement for specific interaction times / Mestrado / Física / Mestre em Física

Durante a década de 90 diversos trabalhos surgiram com o objetivo de investigar a localização de estados quânticos. No contexto da eletrodinâmica quântica de cavidades é possível localizar estados não clássicos de um dado campo externo aplicado ao sistema, uma cavidade preenchida com um material não linear inicialmente preparada no estado de vácuo. Baseado em tal cenário, propomos uma técnica de localização de estados vibracionais de um íon armadilhado. Para isso, considera-se um íon armadilhado em um potencial confinante cujos graus de liberdade vibracionais e os níveis eletrônicos do íon são acoplados por meio de um laser. Uma vez gerada a interação, faz-se uso da técnica de engenharia de reservatórios a fim de obtermos uma equação mestra na qual haja uma dinâmica emissiva e absortiva, ambas artificiais, promovidas por liouvillianos engenheirados, obtidos utilizando o sistema auxiliar (níveis internos do íon). Decorre-se disso uma dinâmica efetiva, já que a emissão espontânea é sempre presente. Sob um certo regime de parâmetros, a competição entre os liouvillianos leva o sistema de interesse para um estado vibracional estacionário caracterizando a localização. A técnica apresentada é mais geral pois mesmo partindo-se de um estado de máxima mistura, a localização é atingida com alta fidelidade em relação ao estado vibracional almejado. O papel exercido pela engenharia de interações para o sucesso da localização é o principal fator motivador deste trabalho. / In the 90s several works arose in order to investigate the localization of quantum states. In the context of quantum electrodynamics of cavities, it is possible to find non-classical states of a given external field applied to the system employing, for instance, a cavity (initially prepared in the vacuum states) filled with a non-linear material. In such scenario, we propose a trapped ion vibrational state localization technique. Consider a trapped ion confined in a potential whose vibrational and electronic degrees of freedom are coupled through two laser fields. Once such interaction is generated, we make use of the reservoir engineering technique in order to obtain a master equation in which there is an artificial dynamics of emission and absorption promoted by engineerined liouvillians obtained by using an auxiliary system (internal ion levels) within an effective dynamics, since the spontaneous emission is always present. Under a certain set of parameters, competition among liouvillians takes the system of interest to a vibrational steady-state featuring localization. The presented technique is interesting because the steady-state is achieved with high fidelity with respect to the desired vibrational state even when starting with highly mixed states. The role presented by the engineered interactions is fundamental for a successful localization and it is the primary motivation of this work.

Neste trabalho apresentamos um protocolo para simular, no contexto da eletrodinâmica quântica de cavidades, a equação de Dirac 2+1 D e 1+1 D para uma partícula relativística livre, de spin ½. Especificamente, tratamos dois sistemas distintos: no primeiro consideramos um átomo de quatro níveis interagindo com dois modos da cavidade e quatro campos clássicos; no segundo, consideramos um átomo de três níveis interagindo com um modo da cavidade e dois campos clássicos. O primeiro sistema foi utilizado para simular a equação de Dirac 2+1 D. Através do segundo sistema mostramos como simular a equação de Dirac 1+1 D. Com esse sistema mostramos como manipular e controlar por meio das forças de acoplamentos dos campos, os valores da velocidade da luz e a energia de repouso da partícula relativística livre de Dirac simulada. Verificamos que a dinâmica de um elétron no formalismo da mecânica quântica relativística pode ser simulada usando experimentos em Eletrodinâmica Quântica de Cavidades. Neste contexto, analisamos o movimento oscilatório inesperado de uma partícula quântica relativística livre conhecido como Zitterbewegung. / In this work we present, in the context of cavity quantum electrodynamics, a protocol for simulating Dirac equation 2+1 and 1+1 for a relativistic free particle with spin ½. Specifically, we deal with two different systems: In the first one we consider a four level atom interacting with two modes of the cavity and four classical fields; In the second system we deal consider a three level atom and interacting with one mode of the cavity and two classical fields. The first system was used to simulate a 2+1 D Dirac equation. With the second system we show how to simulate a 1+1D Dirac equation. With these systems we show how to simulate and control through the field coupling strength, the values of the velocity of light and rest energy of the simulated Dirac´s relativistic free particle. We verify that the dynamics of one electron in the formalism of relativistic quantum mechanics can be simulated using experiments in cavity quantum electrodynamics. In this context, we analyzed the unexpected but known oscillatory movement of a relativistic free quantum particle.

Neste trabalho apresentamos um protocolo para simular, no contexto da eletrodinâmica quântica de cavidades, a equação de Dirac 2+1 D e 1+1 D para uma partícula relativística livre, de spin ½. Especificamente, tratamos dois sistemas distintos: no primeiro consideramos um átomo de quatro níveis interagindo com dois modos da cavidade e quatro campos clássicos; no segundo, consideramos um átomo de três níveis interagindo com um modo da cavidade e dois campos clássicos. O primeiro sistema foi utilizado para simular a equação de Dirac 2+1 D. Através do segundo sistema mostramos como simular a equação de Dirac 1+1 D. Com esse sistema mostramos como manipular e controlar por meio das forças de acoplamentos dos campos, os valores da velocidade da luz e a energia de repouso da partícula relativística livre de Dirac simulada. Verificamos que a dinâmica de um elétron no formalismo da mecânica quântica relativística pode ser simulada usando experimentos em Eletrodinâmica Quântica de Cavidades. Neste contexto, analisamos o movimento oscilatório inesperado de uma partícula quântica relativística livre conhecido como Zitterbewegung. / In this work we present, in the context of cavity quantum electrodynamics, a protocol for simulating Dirac equation 2+1 and 1+1 for a relativistic free particle with spin ½. Specifically, we deal with two different systems: In the first one we consider a four level atom interacting with two modes of the cavity and four classical fields; In the second system we deal consider a three level atom and interacting with one mode of the cavity and two classical fields. The first system was used to simulate a 2+1 D Dirac equation. With the second system we show how to simulate a 1+1D Dirac equation. With these systems we show how to simulate and control through the field coupling strength, the values of the velocity of light and rest energy of the simulated Dirac´s relativistic free particle. We verify that the dynamics of one electron in the formalism of relativistic quantum mechanics can be simulated using experiments in cavity quantum electrodynamics. In this context, we analyzed the unexpected but known oscillatory movement of a relativistic free quantum particle.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2229.pdf: 2727088 bytes, checksum: 4c71ca2bc9e58b1b9250df612f0d73d1 (MD5) Previous issue date: 2009-02-10 / Universidade Federal de Sao Carlos / (caracteres incompatíveis, vide PDF)

Durante a década de 90 diversos trabalhos surgiram com o objetivo de investigar a localização de estados quânticos. No contexto da eletrodinâmica quântica de cavidades é possível localizar estados não clássicos de um dado campo externo aplicado ao sistema, uma cavidade preenchida com um material não linear inicialmente preparada no estado de vácuo. Baseado em tal cenário, propomos uma técnica de localização de estados vibracionais de um íon armadilhado. Para isso, considera-se um íon armadilhado em um potencial confinante cujos graus de liberdade vibracionais e os níveis eletrônicos do íon são acoplados por meio de um laser. Uma vez gerada a interação, faz-se uso da técnica de engenharia de reservatórios a fim de obtermos uma equação mestra na qual haja uma dinâmica emissiva e absortiva, ambas artificiais, promovidas por liouvillianos engenheirados, obtidos utilizando o sistema auxiliar (níveis internos do íon). Decorre-se disso uma dinâmica efetiva, já que a emissão espontânea é sempre presente. Sob um certo regime de parâmetros, a competição entre os liouvillianos leva o sistema de interesse para um estado vibracional estacionário caracterizando a localização. A técnica apresentada é mais geral pois mesmo partindo-se de um estado de máxima mistura, a localização é atingida com alta fidelidade em relação ao estado vibracional almejado. O papel exercido pela engenharia de interações para o sucesso da localização é o principal fator motivador deste trabalho. / In the 90s several works arose in order to investigate the localization of quantum states. In the context of quantum electrodynamics of cavities, it is possible to find non-classical states of a given external field applied to the system employing, for instance, a cavity (initially prepared in the vacuum states) filled with a non-linear material. In such scenario, we propose a trapped ion vibrational state localization technique. Consider a trapped ion confined in a potential whose vibrational and electronic degrees of freedom are coupled through two laser fields. Once such interaction is generated, we make use of the reservoir engineering technique in order to obtain a master equation in which there is an artificial dynamics of emission and absorption promoted by engineerined liouvillians obtained by using an auxiliary system (internal ion levels) within an effective dynamics, since the spontaneous emission is always present. Under a certain set of parameters, competition among liouvillians takes the system of interest to a vibrational steady-state featuring localization. The presented technique is interesting because the steady-state is achieved with high fidelity with respect to the desired vibrational state even when starting with highly mixed states. The role presented by the engineered interactions is fundamental for a successful localization and it is the primary motivation of this work.

No presente trabalho, buscou-se generalizar o Stern-Gerlach óptico para o caso de duas cavidades, as quais possuem eixos ópticos perpendiculares entre si. Nesse experimento, um pacote atomico de dois níveis incide em uma pequena fração do volume ocupado por dois modos, na região onde os nodos das ondas estacionárias de cada modo se superpõem. Diferentemente do Stern-Gerlach óptico de cavidade única, além do intercâmbio de fótons efetuado entre o átomo e cada modo separadamente, também ocorre interação modo-modo, mediada indiretamente pelo átomo. Esse fator contribui efetivamente na caracterização da distribuição de momento do átomo. Espera-se que os desvios de trajetória sofridos pelo átomo, decorrentes de sua interação simultânea com dois modos idênticos do campo de radiação, devam ser observados no plano definido pelas duas cavidades. O estudo é efetuado considerando-se o tratamento clássico da posição do centro de massa atômico, que está associado à sua direção de incidência. Além do que, considera-se a aproximação de Raman-Nath, na qual despreza-se a variação da energia cinética transversal ao movimento atômico, durante a interação átomo-modos. Verifica-se que a análise da distribuição de momento atômico transversal permite acessar a estatística de fótons dos modos das cavidades. Este resultado viabiliza a realização da tomografia dos estados de dois modos por meio da medida da distribuição de momento bidimensional dos átomos. Por fim, através da utilização de estados coerentes na configuração de cavidades cruzadas, investiga-se as possibilidades do controle da direção de deflexão do átomo para aplicações em litografia puramente quântica. / This work deals with the generalization of the optical Stern-Gerlach effect for two cavities whose optical axes are perpendicular to each other. An atomic wave of a two-level atom is focused on a small fraction of the volume occupied by the two modes, in the region where the standing waves nodes overlap. Unlike the optical Stern-Gerlach of single cavity, besides the separate photon exchange between an atom and each mode, there also occurs mode-mode interaction indirectly mediated by the atom. This fact contributes towards the characterization of the atomic momentum distribution. Trajectory deviations suffered by the atom due to its simultaneous interaction with the two identical modes of the radiation field are expected in the plane defined by the two cavities. The study is carried out considering the classical treatment of the atomic center of mass position, which is associated with its incidence direction. The Raman-Nath approximation, which neglects the variation in the kinetic energy transversal to the atomic motion during the interaction atom-modes is considered. The analysis of the transversal momentum distribution of the atom allows accessing the photon statistics of the cavities modes. This result enables the realization of the two-mode states tomography via measurement of the two-dimensional momentum distribution of the atom. Finally, by using coherent states of the crossed cavities configuration, the study investigates the possibilities of controlling the atomic deflection direction for applications to quantum lithography.