Orientador: Jose Antonio Roversi / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-09T01:48:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Yabu-uti_BrunoFerreiradeCamargo_M.pdf: 1406553 bytes, checksum: 938ab0006a4b98ac2e95d69ce2f1f39f (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Nessa dissertação de mestrado estudamos a dinâmica do emaranhamento entre dois átomos remotos localizados em cavidades distintas. O foco principal é a produção de estados maximamente emaranhados entre átomos de dois níveis em cavidades distintas e, em particular, acopladas. Inicialmente apresentamos os principais conceitos da Teoria de Informação Quântica, aspectos qualitativos e quantitativos do emaranhamento quântico, em seguida partimos para o sistema físico proposto: átomos em cavidades. Apresentamos o modelo de Jaynes-Cummings (MJC) e uma breve análise do emaranhamento que surge da interação átomo-campo descrita por esse modelo. No sistema de duas cavidades desacopladas apresentamos como gerar emaranhamento entre átomos remotos de forma condicional. É apresentado então o sistema formado por duas cavidades acopladas interagindo com átomos de dois níveis idênticos, fato que corresponde a constantes de acoplamento átomo-campo iguais (g1= g2). A interação àtomo-campo ainda é descrita pelo MJC já o sistema das cavidades acopladas pode ser modelado conforme a proposta de Zoubi et. al [1](para cavidades separadas por um meio físico a uma curta distância) ou pela proposta de Pellizzari [2](para cavidades conectadas por uma fibra ótica). Para escolhas adequadas dos parâmetros relevantes em cada caso, a dinâmica dos dois sistemas é equivalente a interação dos áomos com um campo mono-modo. Em conseqüência da aparente simplicidade, investigamos a dinâmica do emaranhamento entre átomos distantes, incluindo a geração de estados maximamente emaranhados (essencial para o processamento de informação quântica, comunicação quântica [3] e computação quântica distribuída [4, 5] ) de forma determinística e sem a necessidade de uma interação indireta entre os modos das cavidades para gerar um estado inicial emaranhado compartilhado / Abstract: In this work, we study the dynamics of the entanglement between two remote atoms in distinct cavities. The main focus is the production of maximal entangled states between identical atoms of two levels in distinct cavities and, in particular, coupled cavities. Initially we present the main concepts of the Theory of Quantum Information, qualitative and quantitative aspects of the quantum entanglement, after that we consider the physical system: atoms in cavities. We present the Jaynes-Cummings model (JCM) and make one brief analysis of the entan-glement that appears due to such atom-field interaction. In the system of two uncoupled cavities we present how to generate entanglement between remote atoms in conditional form. We introduce the system formed by two coupled cavities interacting with identical atoms, fact that corresponds to identical coupling constant (g1= g2). The atom-field interaction is still described by the JCM and the system of coupled cavities can be modeled by the Zoubi et. al.¿s proposal [1] (for separate cavities for an environment for a short distance) or for the Pellizzari¿s proposal [2] (for cavities connected by a optical fiber). For appropriate choices of parameters in each case, the dynamics of the two systems is equivalent to the interaction of atoms with a mono-mode field. Due to the apparent simplicity, we investigate the dynamics of the entanglement between distant atoms, including the generation of maximal entangled states (essential for the processing of quantum information, quantum communication [3] and distributed quantum computation [4,5] ) in determinist form and without necessity of an indirect interaction between the modes of the cavities to generate a shared entangled initial state / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Marcos Cesar de Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-09T11:02:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Haruna_LuisFernando_M.pdf: 1906903 bytes, checksum: 57f16fc8eb22ff66dcc420e1e340292f (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Estudamos estados Gaussianos quânticos e as propriedades físicas associadas a operações sobre tal classe de estados que preservam a sua natureza Gaussiana. Propriedades gerais de matrizes de covariância globais representando estados Gaussianos bipartidos de dois modos podem ser decompostas em propriedades de matrizes de covariância locais e seus complementos de Schur. Demonstramos que dado um estado Gaussiano de dois modos r12 descrito por uma matriz de covariância V 4 × 4, o complemento de Schur de uma submatriz de covariância local V2 2 × 2 pode ser interpretado como uma nova matriz de covariância representando um operador Gaussiano do modo 1 condicionado a medições de paridade no modo 2. Como o valor médio da paridade está relacionado com a determinação da função de Wigner de um estado na origem do espaço de fase, que pode ser obtido facilmente através de experimentos de fotocontagem, este resultado nos permite estudar propriedades desta função em termos das probabilidades de medições pares e ímpares no modo local. Também generalizamos este procedimento para um estado Gaussiano de n modos e demonstramos que o operador dos n - 1 sistemas condicionado a projeções parciais de paridade está relacionado com uma matriz de covariância tal que seus elementos bloco 2 × 2 são complementos de Schur de matrizes especiais locais. A determinação da relação entre uma estrutura matemática (o complemento de Schur) com um processo físico permitiram a construção de um protocolo para a identificação de propriedades de emaranhamento de um estado Gaussiano de dois modos via apenas medições/operações locais e um canal de comunicação clássica entre as duas partes. Este protocolo se baseia na obtenção dos quatro invariantes simpléticos locais do grupo Sp(2, R) que determinam as propriedades de emaranhamento e de pureza do sistema Gaussiano de dois modos. Além disso, para uma classe de estados Gaussianos simétricos, que inclui por exemplo o estado comprimido com ruído térmico e o estado EPR, este protocolo também é útil para a reconstrução de sua matriz de covariância / Abstract: We study quantum Gaussian states and the physical properties associated to operations over such class of states, which preserve the respective Gaussian nature. General properties of global covariance matrices representing two-mode bipartite Gaussian states can be decomposed into properties of local covariance matrices and their Schur complements. We demonstrate that given a two-mode Gaussian state r12 described by a 4 × 4 covariance matrix V, the Schur complement of a 2 × 2 local covariance sub-matrix V2 of it can be interpreted as a new covariance matrix representing a Gaussian operator of party 1 conditioned to local parity measurements on party 2. As the parity mean value is related to the determination of the Wigner function of a state at the origin of the phase-space, which can be achieved straightforwardly by photocounting experiments, this result allow us to study properties of this function in terms of the odd and even measurements probabilities of the local mode. We also generalize this procedure to a n partite Gaussian state and we demonstrate that a n - 1 system operator conditioned to a partial projection is given by a covariance matrix such as its 2 × 2 block elements are Schur complements of special local matrices. The determination of the relation between a mathematical structure (the Schur complement) with a physical process allowed us to construct a protocol to identify the two-mode Gaussian state entanglement properties via only local measure-ments/ operations and a classical communication channel between the two parties. This protocol is established from the achievement of the four local sympletic invariants of the Sp(2, R) group, which determines the entanglement and purity properties of a two-mode Gaussian state. Moreover, for the symmetric Gaussian states class, which include for example the squeezed thermal state and the EPR state, this protocol is also uselfull for the covariance matrix reconstruction / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Antonio Vidiella Barranco / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-18T11:57:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Decordi_GustavoLazero_M.pdf: 2336423 bytes, checksum: d0ac4b8793e91906cabc7f57fd39f8e7 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Nesta dissertação estudamos um modelo da interação radiação-matéria, mais conhecido como modelo Raman acoplado, consistindo de um átomo de três níveis na configuração ? (lambda) acoplado a dois modos do campo quantizado em regime de alta dessintonia átomo-campo. De início, apresentamos uma revisão dos assuntos que formam a base para o entendimento do trabalho. A partir daí, deduzimos o Hamiltoniano efetivo do modelo através do método de transformação unitária mantendo os termos de segunda ordem nas constantes de acoplamento e eliminando o nível intermediário. Na sequência, comparamos a dinâmica atômica sob duas preparações distintas: na primeira delas consideramos os dois modos em estados puros (estados coerentes), enquanto que na segunda alteramos a preparação do modo 2, mudando o estado coerente para um estado de máxima entropia (estado térmico). Finalizamos esta tese apresentando um estudo do emaranhamento na partição átomomodo 1 sob in uência do modo 2, considerado um subsistema externo. Adotando a Negatividade como principal medida de emaranhamento átomo-campo, vericamos em que circunstâncias do modelo (tempo, preparações iniciais) temos o máximo emaranhamento. / Abstract: In this work we study a model for the matter-radiation interaction, best known as Raman coupled model, which consists of an atom with three levels in the ? (lambda) conguration, coupled to two modes of the quantized field in a high atom-field detuning regime. At the beginning, we present a review of the subjects that form the background for understanding the work. After that, we deduce the Effective Hamiltonian of the model through the method of unitary transformation, keeping the terms of second order in the coupling constants and eliminating the intermediate level. In the sequence, we compare the atomic dynamics under two distinct preparations: in the first we consider the two modes as pure states (coherent states), while in the second we change the preparation in the mode 2, switching the coherent state to a state of maximum entropy (thermal state). We finish this dissertation presenting a study of the entanglement in the partition atommode 1 under the influence of the mode 2, considered as an external subsystem. Adopting the Negativity as the main measure of the atom-field entanglement, we verify in wich circumstances of the model (time, initial preparations) we achieve the maximum entanglement / Mestrado / Física Atômica e Molecular / Mestre em Física

Orientadores: Kyoko Furuya e Marcos César de Oliveira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-14T10:42:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Missori_RicardoJose_D.pdf: 12608973 bytes, checksum: 25d2abc254d2688f7a4225e0cd2bc6aa (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Nesta tese, apresentamos dois resultados para a geração de emaranhamento, ambos envolvendo a interação entre átomos e radiação. Na primeira parte, propomos um esquema para geração de estados emaranhados envolvendo os estados eletrônicos de dois íons separados espacialmente, cada qual aprisionado em uma cavidade. Um átomo propagante, que cruza essas cavidades, é responsável pela geração de estados emaranhados do tipo Bell entre os dois íons. Mostramos que para tempos específicos de interação, a geração dos estados emaranhados é não-probabilística. Propostas de átomo e íons, candidatos a implementação do esquema experimental, também são apresentadas. Já segunda parte deste trabalho, investigamos um modelo para a interação de dois campos quânticos ortogonalmente polarizados com uma nuvem de átomos de quatro níveis do tipo-X. Consideramos, para nosso esquema, situações físicas onde os átomos funcionam efetivamente como sendo de dois níveis. Assim, dentro de uma aproximação linearizada do campo, nosso Hamiltoniano efetivo bilinear, que representa a interação átomos-campo, passa a depender da diferença de população entre os dois níveis do ensemble de átomos. Após uma medida condicionada nos átomos, mostramos que os dois modos do campo ficam em estados emaranhados não-Gaussianos, diferentemente do que foi considerado em alguns trabalhos recentes na literatura que abordamos. Como a compressão abaixo do limite de ruído na polarização linear pode ser usada como indicadora de emaranhamento na polarização circular, nós podemos usar a variância das quadraturas, combinada com o critério de inseparabilidade para variáveis contínuas, para complementar o nosso estudo sobre o esquema experimental. / Abstract: In this thesis, we present two results of entanglement generation, both involving atom-radiation interaction. In the first part, we consider a scheme for generation of entangled states involving electronic states of two distant ions, each one placed in a cavity. A flying atom, that crosses these cavities, is responsible for the generation of entangled states of the Bell-type between the two ions. We show that for specific times of interaction, the entangled states are generated and in a non-probabilistic way. We also present a realistic proposal of candidates for atoms and ions for an experimental implementation of this scheme. In the second part of this work, we investigate a model for the interaction of two orthogonally polarized quantum fields with a cloud of X-like four-level atoms. We consider, in our scheme, a physical situation where the atoms act effectively like two-level atoms. Thus, in a linearized approximation for the field, we derive a bilinear effective Hamiltonian representing the atom-field interaction, which depends on the difference of population between the ensemble of two-level atoms. After a conditional measurement in the atomic system, we show that the two field modes ends up in a non-Gaussian entangled states, differently from what has been considered in some recent works in the literature. Since the squeezing below the noise limit in the linear polarization can be used as an indicator of entanglement in the circular polarization, we can use the variances in the quadratures, combined with the inseparability criterion for continuum variables, to complement our study of the experimental scheme. / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientadores: Marcos César de Oliveira, José Antonio Roversi / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-30T18:09:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mendes_LeandroRaffhaeldaSilva_M.pdf: 1052767 bytes, checksum: ba43e3c505552cd553899affee52bea4 (MD5) Previous issue date: 2016 / Resumo: Estudamos a estrutura de estados que saturam a desigualdade de subaditividade forte da entropia de von Neumann. Isto foi feito rearranjando a forma das medidas apresentadas na desigualdade, de tal maneira que o teorema de Petz pudesse ser utilizado. Após a aplicação de um mapa de recuperação, vemos que os estados resultantes requerem que o emaranhamento de formação para um estado tripartido e para um estado bipartido sejam iguais, ou em outras palavras, exige a existência de monogamia do emaranhamento de formação. Também foram analisadas as implicações da relação de subaditividade na desigualdade de processamento de dados quântica. Nós vemos que o limitante existente na relação anterior é estendido à desigualdade de processamento de dados, mas com uma forma diferente. Manipulando o limitante nós conseguimos escreve-lo como sendo a diferença entre o fluxo resultante de informação localmente inacessível na primeira fase do processamento de dados e o fluxo resultante no segundo estágio do processo. Isto mostra que a diferença entre a informação coerente em relação a duas partes que estão processando um estado é limitada inferiormente pela diferença desses dois fluxos / Abstract: We studied the structure of states that saturate the bounded strong subbaditivity of von Neumann entropy. This was done by rearranging the form of the measures presented in the inequality, in such a way that the Petz theorem could be used. After the application of a recovery map we see that the resulting states require the entanglement of formation for a tripartite and bipartite case to be equal, or in other words, it requires monogamy of the entanglement of formation. We also analyzed the implications of the bounded relation into the quantum data processing inequality. It is seen that a bound is extended from the strong subbaditivity to the data processing inequality, but with different terms, with further manipulations we show that the bound can be expressed in terms of the net flow of locally inaccessible information in the first stage and the net flow on the second stage. Were the difference between the coherent information relative to two parties in the process of transmitting a state is lower bounded by the difference on the net flows / Mestrado / Física / Mestre em Física / 1247649/2013 / CAPES

Nesta tese abordamos o problema de transferência e manipulação de informação quântica em sistemas dissipativos. Inicialmente apresentamos uma técnica para construir, dentro de redes bosônicas dissipativas, canais livres de decoerência (CLD): um grupo de modos normais de osciladores com taxas de amortecimento efetivas nulas. Verificamos que os estados protegidos dentro do CLD definem subespaços livres de decoerência (SLD) quando mapeados de volta para a base dos osciladores naturais da rede. Portanto, a nossa técnica para obter canais protegidos formados por modos normais é uma forma alternativa para construir SLD, que oferece vantagens em relação ao método convencional. Nosso protocolo permite o cálculo de todos os estados da rede protegidos de uma só vez, assim como leva naturalmente ao conceito de subespaço quase livre de decoerência (SQLD), dentro do qual um estado de superposição é quase completamente protegido. O conceito de SQLD, é mais fraco do que a dos SLD, pode proporcionar um mecanismo mais manejável para controlar decoerência. Em seguida desenvolvemos um protocolo para transferência quase perfeita de estados de poláriton de um sistema emissor para um receptor, separados espacialmente, ambos acoplados por um canal de transmissão não ideal que é modelado por uma rede de cavidades dissipativas. Esse protocolo consiste no acoplamento dispersivo entre o estado de poláriton preparado no emissor com os modos normais da rede que forma o canal, o que possibilita que o estado tunele para o receptor. Após a obtenção de um Hamiltoniano efetivo para o acoplamento entre o emissor e receptor, calculamos a fidelidade para a transferência de alguns estados de poláriton, por exemplo, estados tipo gato de Schrödinger. Mostramos que as taxas de decaimento da fidelidade são proporcionais a cooperatividade, parâmetro esse que avalia a relação entre a taxa de dissipação e o acoplamento efetivo. Analisamos a dependência da fidelidade e do tempo de transferência em relação à topologia da rede. Por fim, propomos o mecanismo de tunelamento não local para transferência de estados bosônicos e fermiônicos com alta fidelidade. Demonstramos que a incoerência decorrente das não idealidades quânticas do canal é quase totalmente contornada pelo mecanismo de tunelamento que possibilita um processo de transferência de alta fidelidade. Aplicamos esse mecanismo para transferência e processamento de informações entre múltiplos circuitos quântico (CQs) não ideais. Um conjunto de saídas é simultaneamente acoplado ao conjunto correspondente de entradas de outro QC espacialmente separado do primeiro, através de um único canal quântico não ideal. Mostramos que além da transferência de estados, podemos realizar operações logicas entre qubits distantes e gerar uma pletora de estados quânticos emaranhados. / In this thesis we address the problem of transfer and manipulation of quantum information in dissipative systems. First we present a technique to build, within a dissipative bosonic network, decoherence-free channels (DFCs): a group of normal-mode oscillators with null effective damping rates. We verify that the states protected within the DFC define the wellknown decoherence-free subspaces (DFSs) when mapped back into the natural network oscillators. Therefore, our technique to build protected normal-mode channels turns out to be an alternative way to build DFSs, which offers advantages over the conventional method. It enables the computation of all the network-protected states at once, as well as leading naturally to the concept of the decoherence quasi-free subspace (DQFS), inside which a superposition state is quasi-completely protected against decoherence. The concept of the DQFS, weaker than that of the DFS, may provide a more manageable mechanism to control decoherence. Finally, as an application of the DQFSs, we show how to build them for quasi-perfect state transfer in networks of coupled quantum dissipative oscillators. Then we present a scheme for quasi perfect transfer of polariton states from a sender to a spatially separated receiver, both composed of high-quality cavities filled by atomic samples. The sender and the receiver are connected by a nonideal transmission channel the data bus modelled by a network of lossy empty cavities. In particular, we analyze the influence of a large class of data-bus topologies on the fidelity and transfer time of the polariton state. Moreover, we also assume dispersive couplings between the polariton fields and the data-bus normal modes in order to achieve a tunneling-like state transfer. Such a tunneling-transfer mechanism, by which the excitation energy of the polariton effectively does not populate the data-bus cavities, is capable of attenuating appreciably the dissipative effects of the data-bus cavities. After deriving a Hamiltonian for the effective coupling between the sender and the receiver, we show that the decay rate of the fidelity is proportional to a cooperativity parameter that weigh the cost of the dissipation rate against the benefit of the effective coupling strength. The increase of the fidelity of the transfer process can be achieved at the expense of longer transfer times. We also show that the dependence of both the fidelity and the transfer time on the network topology for distinct regimes of parameters. It follows that the data-bus topology can be explored to control the time of the state-transfer process. Finally we propose the nonlocal tunneling mechanism for high-fidelity state transfer between distant parties. We apply this mechanism for highfidelity information transfer and processing between remote multi-branch nonideal quantum circuits (QCs). We show that in addition to the transfer of states, we can perform logic operations between distant qubits and generate a plethora of entangled quantum states.

Nesta tese abordamos o problema de transferência e manipulação de informação quântica em sistemas dissipativos. Inicialmente apresentamos uma técnica para construir, dentro de redes bosônicas dissipativas, canais livres de decoerência (CLD): um grupo de modos normais de osciladores com taxas de amortecimento efetivas nulas. Verificamos que os estados protegidos dentro do CLD definem subespaços livres de decoerência (SLD) quando mapeados de volta para a base dos osciladores naturais da rede. Portanto, a nossa técnica para obter canais protegidos formados por modos normais é uma forma alternativa para construir SLD, que oferece vantagens em relação ao método convencional. Nosso protocolo permite o cálculo de todos os estados da rede protegidos de uma só vez, assim como leva naturalmente ao conceito de subespaço quase livre de decoerência (SQLD), dentro do qual um estado de superposição é quase completamente protegido. O conceito de SQLD, é mais fraco do que a dos SLD, pode proporcionar um mecanismo mais manejável para controlar decoerência. Em seguida desenvolvemos um protocolo para transferência quase perfeita de estados de poláriton de um sistema emissor para um receptor, separados espacialmente, ambos acoplados por um canal de transmissão não ideal que é modelado por uma rede de cavidades dissipativas. Esse protocolo consiste no acoplamento dispersivo entre o estado de poláriton preparado no emissor com os modos normais da rede que forma o canal, o que possibilita que o estado tunele para o receptor. Após a obtenção de um Hamiltoniano efetivo para o acoplamento entre o emissor e receptor, calculamos a fidelidade para a transferência de alguns estados de poláriton, por exemplo, estados tipo gato de Schrödinger. Mostramos que as taxas de decaimento da fidelidade são proporcionais a cooperatividade, parâmetro esse que avalia a relação entre a taxa de dissipação e o acoplamento efetivo. Analisamos a dependência da fidelidade e do tempo de transferência em relação à topologia da rede. Por fim, propomos o mecanismo de tunelamento não local para transferência de estados bosônicos e fermiônicos com alta fidelidade. Demonstramos que a incoerência decorrente das não idealidades quânticas do canal é quase totalmente contornada pelo mecanismo de tunelamento que possibilita um processo de transferência de alta fidelidade. Aplicamos esse mecanismo para transferência e processamento de informações entre múltiplos circuitos quântico (CQs) não ideais. Um conjunto de saídas é simultaneamente acoplado ao conjunto correspondente de entradas de outro QC espacialmente separado do primeiro, através de um único canal quântico não ideal. Mostramos que além da transferência de estados, podemos realizar operações logicas entre qubits distantes e gerar uma pletora de estados quânticos emaranhados. / In this thesis we address the problem of transfer and manipulation of quantum information in dissipative systems. First we present a technique to build, within a dissipative bosonic network, decoherence-free channels (DFCs): a group of normal-mode oscillators with null effective damping rates. We verify that the states protected within the DFC define the wellknown decoherence-free subspaces (DFSs) when mapped back into the natural network oscillators. Therefore, our technique to build protected normal-mode channels turns out to be an alternative way to build DFSs, which offers advantages over the conventional method. It enables the computation of all the network-protected states at once, as well as leading naturally to the concept of the decoherence quasi-free subspace (DQFS), inside which a superposition state is quasi-completely protected against decoherence. The concept of the DQFS, weaker than that of the DFS, may provide a more manageable mechanism to control decoherence. Finally, as an application of the DQFSs, we show how to build them for quasi-perfect state transfer in networks of coupled quantum dissipative oscillators. Then we present a scheme for quasi perfect transfer of polariton states from a sender to a spatially separated receiver, both composed of high-quality cavities filled by atomic samples. The sender and the receiver are connected by a nonideal transmission channel the data bus modelled by a network of lossy empty cavities. In particular, we analyze the influence of a large class of data-bus topologies on the fidelity and transfer time of the polariton state. Moreover, we also assume dispersive couplings between the polariton fields and the data-bus normal modes in order to achieve a tunneling-like state transfer. Such a tunneling-transfer mechanism, by which the excitation energy of the polariton effectively does not populate the data-bus cavities, is capable of attenuating appreciably the dissipative effects of the data-bus cavities. After deriving a Hamiltonian for the effective coupling between the sender and the receiver, we show that the decay rate of the fidelity is proportional to a cooperativity parameter that weigh the cost of the dissipation rate against the benefit of the effective coupling strength. The increase of the fidelity of the transfer process can be achieved at the expense of longer transfer times. We also show that the dependence of both the fidelity and the transfer time on the network topology for distinct regimes of parameters. It follows that the data-bus topology can be explored to control the time of the state-transfer process. Finally we propose the nonlocal tunneling mechanism for high-fidelity state transfer between distant parties. We apply this mechanism for highfidelity information transfer and processing between remote multi-branch nonideal quantum circuits (QCs). We show that in addition to the transfer of states, we can perform logic operations between distant qubits and generate a plethora of entangled quantum states.

Orientador: Antonio Vidiella Barranco / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica "Gleb Wataghin" / Made available in DSpace on 2018-08-06T16:53:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_FernandoLuisSemiaoda_D.pdf: 1615501 bytes, checksum: 370145b0056b0b8da7cf94fb9d01bc25 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: A presente tese é dedicada à utilização de conhecidos sistemas quânticos em aplicações de interesse em óptica e informação quântica. Motivados pelos recentes avanços experimentais em sistemas formados por íons aprisionados interagindo com lasers e na eletrodinâmica quântica de cavidades, nós focamos grande parte de nossas propostas nestes sistemas. Mais especificamente, nós estudamos a interação de íons e campos quantizados na chamada eletrodinâmica quântica de cavidades com íons aprisionados. Neste contexto, iniciamos nossos trabalhos com uma proposta de geração de superposições mesoscópicas no movimento do íon. Uma vez que tais superposições são muito sensíveis à decoerência, incluímos perdas na cavidade para tratar uma situação mais realista. Através da observação de quantum jumps, ou fóton-contagens fora da cavidade, mostramos um esquema de geração de estados com características quânticas muito similares aos encontrados no caso da cavidade ideal, sem perdas. Neste aspecto, encontramos um modo de usar a dissipação a nosso favor, fato de grande interesse experimental devido às imperfeições dos espelhos reais. Apresentamos também uma proposta de implementação de uma interação do tipo Kerr em íons como uma alternativa ao uso de cristais não-lineares que apresentam baixíssima eficiência para esse tipo de efeito. Essa proposta abre novas possibilidades para o uso de íons em medidas não demolidoras e computação quântica. Nossos estudos na área de eletrodinâmica quântica com íons aprisionados terminam com a análise dos efeitos do movimento do íon na dinâmica das transições multi-fotônicas. Esse é um estudo mais fundamental e está relacionado com o entendimento da interação da radiação com a matéria. Na última parte desta tese são apresentados resultados sobre o uso de sistemas de muitos corpos para a distribuição de informação quântica. O objetivo de se estudar estes sistemas mais complexos é a busca de implementação de protocolos quânticos em larga escala. Neste sentido, poderíamos pensar numa cadeia de osciladores harmônicos acoplados como ocorre em sistemas típicos da física da matéria condensada. Em particular, nós estudamos como aumentar a eficiência na transmissão de emaranhamento nestas cadeias. Propusemos um esquema que funciona como um tipo de quantum data bus, ou ônibus quântico para transportar e distribuir emaranhamento com alta eficiência / Abstract: This thesis is concerned with the use of firmly established quantum systems for applications in quantum optics and quantum information. Having been driven by recent experimental advances in laser-manipulated trapped ions and cavity quantum electrodynamics, we concentrated more on proposals to be implemented in those systems. Being more specific, we have studied the interaction between trapped ions and quantized fields in the so-called cavity quantum electrodynamics with trapped ions. In this context, we began with a proposal to generate mesoscopic superpositions in the motion of the ion. Since these superpositions are extremely sensitive to decoherence, we have included cavity losses in order to make the situation slightly more realistic. We showed that the observation of quantum jumps, or photon detection outside the cavity, would generate quantum states with properties close to that generated in the ideal lossless case. In spite of the normally destructive effect of dissipation, we found a way to use it in our favor which turns out to be of great experimental importance due to always present mirror imperfections. We also showed how to mimic cross-Kerr nonlinearities in the cavity-ion system as a feasible alternative to the use of nonlinear crystals whose intensity of that non-linearity is too weak. This proposal opens up new possibilities for the use of trapped ions in non-demolition measurements and quantum computing. We finish our work in cavity electrodynamics with trapped ions with the study of the effect of the ionic motion on the dynamics of multiphotonic transitions. This is a more fundamental issue that is related to the understanding of matter-field interaction. In the last part of this thesis, we present results on the use of many-body systems for quantum information distribution. It was our goal to study more complex systems for the implementation of quantum protocols in large scale. In this sense, one could think of a chain of coupled harmonic oscillators as commonly found in condensed matter physics. Particularly, we dealt with the efficiency of entanglement transmission through the chain, trying to improve it. We ended up with a scheme which acts as a quantum data bus able to transport and distribute entanglement around quite efficiently / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / e recent advances in technology require an increasingly complex treatment from science. Devices intensely miniaturized especially cannot be treated with classical physics only. e quantum approach becomes essential when the size of the conductors reaches the order of the electron characteristic lengths. Systems in this regime exhibit some important features, such as quantum interference and quantization of some quantities, and are named mesoscopic systems. Entanglement is a property with large technological applicability and can only be explained with the quantum approach. e quantum dot is very useful as mesoscopic entangler of electrons. e electron transport in a quantum dot can be described by the scattering matrix. e transmission eigenvalues obtained from the scattering matrix provide some quantities related to the electron transport, including the quanti er of entanglement. In this work we study statistically the entanglement production in a chaotic quantum dot (CCD) with nonideal contacts. ese CCDs are modeled as scattering centers attached to two wave guides having potential barriers and the electron transport is described by random scattering matrices.We consider time reversal and spin rotation symmetries for the cavities so that the scattering matrices belong to theWigner-Dyson ensembles. e concurrence was used for quantifying entanglement and was also statistically investigated. Similarly, we analyse the squared norm which is also dependent of the transmission eigenvalues and represents the probability of the scatterings result in an entangled state.We de ne the entanglement production factor for determining more precisely the e ciency of the entangler. We used a third-party algorithm to generate the scattering matrices and then we found the transmission eigenvalues for each matrix.We computed the averages of concurrence, squared norm and entanglement production factor and generated some of their distribution curves varying the opacities of the leads. / Os recentes avanços da tecnologia requisitam da ciência um tratamento cada vez mais complexo. Os dispositivos com intensa miniaturização, em especial, já não podem ser estudados utilizando-se somente a física clássica. A abordagem quântica se torna essencial quando os condutores alcançam tamanhos da ordem dos comprimentos característicos dos elétrons que são transportados. Sistemas neste regime apresentam algumas características importantes, como interferência quântica e quantização de algumas grandezas, e são chamados mesoscópicos. O emaranhamento é uma propriedade com grande aplicabilidade tecnológica e que só pode ser explicada através do tratamento quântico. A função de onda de um sistema emaranhado não pode ser decomposta em funções de ondas de cada constituinte. Um sistema mesoscópico que tem sido bastante utilizado como emaranhador de elétrons é o ponto quântico. O tansporte de elétrons em um ponto quântico pode ser caracterizado pela matriz de espalhamento. Os autovalores de transmissão extraídos da matriz de espalhamento fornecem algumas quantidades relacionadas ao transporte de elétrons, inclusive a quantificação do emaranhamento. Nesta dissertação estudamos estatisticamente a produção de emaranhamento em um ponto quântico caótico (PQC) com contatos não ideais. Esses PQCs são modelados por centros de espalhamento conectados a guias de ondas com barreiras de potencial e o transporte de elétrons é descrito por matrizes de espalhamento aleatórias. Consideramos para as cavidades dos PQCs as simetrias de reversão temporal e invariância sob rotação de spin, sendo suasmatrizes de espalhamento pertencentes aos ensembles de Wigner-Dyson. A concorrência foi utilizada para quanti car o emaranhamento e o estudamos estatisticamente. Analisamos damesma forma a norma quadrada, também dependente dos autovalores de transmissão e que representa a probabilidade do sistema retornar um estado final emaranhado. Definimos o fator de produção de emaranhamento para determinar de forma mais precisa a eficiência do emaranhamento no PQC. Utilizamos um algoritmo para gerar as matrizes de espalhamento e obter os autovalores de transmissão de cada matriz. Calculamos as médias da concorrência, da norma quadrada e do fator de produção de emaranhamento e também algumas distribuições dessas quantidades variando-se a opacidade dos guias de onda.

Orientadores: Reginaldo Palazzo Junior, Carlile Lavor / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-11T20:14:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gazzoni_WanessaCarla_D.pdf: 915784 bytes, checksum: d9b26e53c10c74a95fabe11a016027ce (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Este trabalho apresenta algumas contribuições para um melhor entendimento do emaranhamento quântico e suas aplicações. Com o propósito de obter a classificação de estados quânticos puros arbitrários em separáveis ou emaranhados, apresentamos um critério de separabilidade do qual tal classificação decorre. Este critério está baseado em uma interpretação homológicageométrica, que nos permitiu formalizar algumas conclusões acerca da quantificação do emaranhamento em estados puros arbitrários com três qubits. A partir desta interpretação, foi possível também associar a descriçãao do conteúdo dos kets de um estado puro arbitrário a conceitos de teoria da codificação clássica. Tendo como base esta associação, propomos uma forma bastante simplificada para determinar a descrição matemática de estados puros arbitrários que satisfazem o máximo emaranhamento global. De acordo com conceitos da teoria da codificação, analisamos os estados de máximo emaranhamento global com relaçãoo 'a proteção contra erros que esses estados possuem. Neste contexto, apresentamos uma nova classe de estados que ainda Não havia sido mencionada na literatura. / Abstract: In this thesis we present some contributions to a better understanding of quantum entanglement and its applications. With the purpose of obtaining a classification of the arbitrary pure quantum states as separable or entangled, a separability criterion is presented. This criterion is based on an homologic-geometric interpretation which allowed us to formalize some conclusions on the entanglement quantification of arbitrary pure states with three qubits. From this interpretation, it was possible to associate a description of the kets' content of an arbitrary pure state with the concepts of the classical coding theory. Based on this association, we propose a simplified form to determine a mathematical description of arbitrary quantum states satisfying the maximum global entanglement. From the concepts of coding theory we considered the states of maximum global entanglement with respect to its inherent error protection. In this context, we present a new class of states satisfying all the previous properties and which were not known in the open literature. / Doutorado / Telecomunicações e Telemática / Doutor em Engenharia Elétrica