Neste trabalho realizamos a implementação experimental de informação quântica (IQ) em um sistema de dois bits quânticos (q-bits) de spin 3/2 via ressonância quadrupolar nuclear (RQN). Foram implementadas portas lógicas quânticas que são necessárias para a criação e manipulação dos estados pseudo-puros (PPSs). Ademais, foi proposto um método de tomografia de estado quântico (TEQ) baseado na seleção de coerências de múltiplo quantum por ciclagem de fases. A TEQ foi empregada para avaliar os estados quânticos implementados experimentalmente. A amostra utilizada foi um monocristal de KClO3, o núcleo medido foi 35Cl, que possui spin 3/2. Neste sistema foi possível obter os quatro PPSs da base computacional. Sobre os PPSs foram aplicados portas lógicas quânticas CNOT e Hadamard, que produziram estados de sobreposição e estados emaranhados. Sobre os estados emaranhados foram analisados os conceitos de correlações clássicas e quânticas. A TEQ dos estados implementados experimentalmente mostrou altas fidelidades (maior de 90%). Também foi possível criar estados coerentes de spin aplicando rotações sobre os PPSs. Com base nos estados coerentes de spin foram gerados estados coerentes comprimidos mediante a aplicação de evoluções não lineares, presentes naturalmente em sistemas de RQN. Estes resultados promissores mostram que a RQN pode ser satisfatoriamente aplicada como uma ferramenta experimental em estudos de IQ. / In this work we describe the experimental implementation of quantum information processing (QIP) in a two spin qubits system by nuclear quadrupole resonance (NQR). We implemented quantum gates and their applications in the creation and manipulation of pseudo-pure state (PPS). Furthermore, we propose one method of Quantum State Tomography (QST) based on coherence pathways selected by RF phase cycling. QST is one of the tools used to evaluate QIP implementations, it allows to completely evaluate the quantum state of the spin system. We experimentally implemented NQR-QIP in a KClO3 single crystal and observing 35Cl, a spin 3/2 nucleus. It was possible to obtain all the four PPS associated with the computational basis and to apply the Controlled-not (CNOT) and Hadamard gates on them. The reading of the resulting states was performed by the proposed QST method, and resulted in experimental quantum state fidelities greater than 90%. It was also possible to create squeezed spin states. This states are generated by non linear interactions, which naturally arise in a NQR system. These are very promising results and they indicate that NQR can be successfully applied as an experimental tool for studying fundamental QIP theory.

Orientador: Roberto Menezes Serra. / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Física, 2009.

Orientador: Professor Doutor Roberto Menezes Serra / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Física, 2013

A aplicação da Mecânica Quântica para o processamento de informação chamou a atenção para o problema da perda de características quânticas e, consequentemente, estimulou os estudos de tal fenômeno. Desde então, uma das maiores dificuldades neste campo é responder a pergunta: Como entender a interação entre sistema e ambiente? Em sistemas quânticos abertos tal interação é responsável pelo fenômeno da decoerência, que transforma um estado quântico inicialmente puro em uma mistura estatística de estados possíveis. Banhos térmicos são comumente utilizados para modelar a influência inevitável do ambiente e descrever matematicamente seus efeitos. Muitos estudos têm sido realizados no sentido de construir mecanismos que evitam a perda de informação para o ambiente, recuperando-se a potencialidade oferecida pelo mundo quântico. Assim, seria possível a utilização de um ruído estocástico para anular os efeitos do ruído térmico? Em outras palavras, queremos construir um ambiente artificial onde a ação do banho térmico é minimizada devido à presença de um campo estocástico. O objetivo deste trabalho é investigar a influência da injeção de um ruído estocástico colorido na dinâmica de um oscilador harmônico em contato com um banho térmico, quando o sistema de interesse é preparado em um estado coerente. Nós faremos isso através de uma equação mestra quântica, abordando-a com o auxílio da representação P de Glauber-Sudarshan. Será sugerido que a recoerência causada pelo ruído estocástico colorido é uma assinatura da não-Markovianidade. / The application of Quantum Mechanics to information processing called attention to the problem of losing quantum characteristics and, consequently, stimulated the studies of such phenomenon. Since then, one of the biggest difficulties in this field is to answer the question: How can the interaction between system and environment be understood? In open quantum systems such interaction is responsible for the decoherence phenomenon, which turns a quantum pure initial states into a statistical mixture of possible states. Thermal environments are commonly used to model the unavoidable influence of the environment and to mathematically describe its effects. Many studies have been done in order to build a mechanism that avoids the loss of information to the environment, recovering the potentiality offered by the quantum world. Thus, would be possible to use a stochastic noise to cancel the thermal noise effects? In other words, we want to build an artificial environment where the action of the thermal bath is minimized due to the presence of a stochastic field. The purpose of this work is to investigate the influence of the injection of a colored stochastic noise in the dynamics of a harmonic oscillator in contact with a thermal bath, when the system of interest is initially prepared in a coherent state. We are going to do this through a Glauber-Sudarshan P-representation approach to a quantum master equation. It will be suggested that the recoherence caused by the colored stochastic noise is a signature of non-Markovianity.

Foi proposta uma experiência na qual seria possível produzir um emaranhamento quântico de feixes de fótons com diferentes frequências, movendo-se em uma mesma direção, controlado por meio de um campo magnético externo. Nessa experiência, a interação entre o campo magnético e fótons é realizada por intermédio de elétrons, que interagem tanto com os fótons quanto com o campo magnético externo. Foi desenvolvida uma teoria que descreve processos físicos. Derivamos medidas de emaranhamento de informação e de Schmidt para um sistema geral de dois qubits e a medida residual para um sistema geral de três qubits. Usando a informação obtida da análise dos sistemas de dois e de três quase-fótons, calculamos medidas de emaranhamento. Criamos um programa para cálculo numérico, nesses casos, através do qual construímos gráficos de dependência das medidas de emaranhamentos em feixes de dois e de três fótons. Os resultados obtidos nos permitem ver como a medida de emaranhamento depende dos parâmetros, que caracterizam o sistema em questão. Por exemplo, se ambas as polarizações dos fótons coincidem, então, nenhum emaranhamento ocorre. O emaranhamento acontece apenas se as polarizações do fóton forem opostas. / An experiment is proposed which can produce a quantum entanglement of photon beams having different frequencies and moving in the same direction. The experiment is controlled by an external magnetic field. In this experiment, the interaction between the photons and magnetic field is carried out by means of electrons interacting both with the photons and the external magnetic field. A theory is developed which describes physical processes in this experiment. The meausre of entanglement of information and the measure of Schmidt are calculated for the general system of two qubits, as well as the residual measure for general system of three qubits. Using the information obtained from the analysis of the systems of two and three quasi-photons, we have calculated the entanglement measures in such cases. A computer program is created for numerical calculations in such cases which enables one to construct the graphs of dependence for entanglements of measures in bundles of two and three photons. The results allow us to see how the entanglement measure depends on the parameters that characterize the system in question. For example, if both polarizations of the photons coincide, then no entanglement takes place. The entanglement occurs only if the polarization of the photon are opposite.

Orientador: Prof. Dr. André Gustavo Scagliusi Landulfo / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2015.

Orientador: Prof. Dr. Fernando Luis da Silva Semião / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2017. / Começaremos esta dissertação introduzindo os conceitos básicos para a compreensão sobre informação quântica. Falaremos sobre qubits, operador densidade e sistemas compostos. Em seguida, discutiremos o uso de emaranhamento como recurso para a realização de protocolos quânticos e apresentaremos métodos para quantificá-lo. Como exemplos da utilidade de emaranhamento em tarefas de comunicação quântica, descreveremos os protocolos de teletransporte e de codificação superdensa. Prosseguiremos discutindo como as características de estados emaranhados levam ao fenômeno da não-localidade e como este fenômeno está relacionado com o protocolo de teletransporte. Em seguida, trataremos da quantização de um modo do campo eletromagnético e mostraremos que o hamiltoniano deste campo é formalmente igual ao de um oscilador harmônico de massa unitária. Discutiremos sobre as propriedades de dois tipos de estados relacionados a este modo do campo, os estados de Fock e os estados coerentes, e comentaremos como estes estados podem ser usados qubits. No último capítulo, apresentaremos o protocolo de teletransporte controlado. Como contribuição, iremos propor um modelo onde usamos qubits codificados em estados de Fock e estados coerentes para realização de tal protocolo. Levaremos em consideração perdas que ocorrem quando estes qubits são guiados através de fibras ópticas no modelo proposto. Introduziremos um parâmetro para quantificar a eficiência deste protocolo e iremos analisar como a performance do teletransporte é afetada pelas perdas na fibra para ambos os tipos de codificação. Para finalizar, estudaremos se existe alguma relação entre não-localidade genuinamente tripartida e a eficiência de teletransporte controlado. / This dissertation starts with an introduction on the basic concepts of quantum information. We then present the concepts of qubits, density operators and composite systems. This is followed by a discussion on how entanglement can be used as a resource for tasks in quantum information. Quantification methods for this resource are also presented. As examples of applications involving entanglement on quantum communication tasks, we describe the quantum teleportation and the superdense coding protocols. We finish this chapter with a discussion on how entanglement is related to the nonlocality phenomenon and how this is related to quantum teleportation. In the following chapter, we study the quantization of a single-mode electromagnetic field, and show that the hamiltonian of this field is formally equivalent to a unit-mass harmonic oscillator.We proceed to discuss the properties of two different types of states associated to the this field namely the Fock and coherent states, and comment on how they can be used to implement photonic qubits. In the last chapter, we present the controlled teleportation protocol. As a contribution, we propose a model where qubits based on either Fock or coherent states are used in that protocol. We take into account losses which occur when these qubits are guided through optical fibers. We introduce a parameter to quantify the efficiency of this protocol and analyze how its performance is affected for both types of encodings. Finally, we study whether or not a correlation between control teleportation efficiency and genuine tripartite nonlocality exists.

Orientador: Prof. Dr. Fernando Luis da Silva Semião / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2017.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6697.pdf: 3858000 bytes, checksum: 03b4357c963bbde78aecb73ef0df8fa6 (MD5) Previous issue date: 2015-04-16 / Universidade Federal de Sao Carlos / Recently a quantum memory for a coherent pulse was accomplished using an atom trapped inside a high finesse cavity, where an eficiency of 9:3% was achieved for a storage time of 2_s and an average fidelity of 93% for a storage time of 180fis. We theoretically studied this system using the master equation approach, exhausting all the possible ways one could improve the eficiency, defined here as the ratio between the mean number of photons retrieved after the memory process and the mean number of photons that enters the empty cavity, fi = hayaiout=hayaiin, which proved to have an upper bound of 25%. Since protocols relying on phase-matching conditions for single photon input states were already developed, using a model by H. Carmichael, a comparison between storage of coherent and single photon states was made, which did not gave rise any observable difference. Finally a more detailed study about the differences between an input-output and a master equation approach was done. It was concluded that the experimental setup suitable for observing cavity electromagnetically induced transparency (EIT) is not the ideal one for a quantum memory experiment. No modifications to the master equation theory were necessary, and a simple relation between the cavity and output fields was derived.

Submitted by Bruna Rodrigues (bruna92rodrigues@yahoo.com.br) on 2016-10-10T14:16:22Z No. of bitstreams: 1 TeseRFIG.pdf: 4866078 bytes, checksum: fad89e3fc2a4023db453218c47475574 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-21T13:36:40Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseRFIG.pdf: 4866078 bytes, checksum: fad89e3fc2a4023db453218c47475574 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-21T13:36:50Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseRFIG.pdf: 4866078 bytes, checksum: fad89e3fc2a4023db453218c47475574 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-21T13:36:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseRFIG.pdf: 4866078 bytes, checksum: fad89e3fc2a4023db453218c47475574 (MD5) Previous issue date: 2016-04-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / The main focus of this work is to explore the feasibility of conducting the teleportation protocol in scenarios where the presence of an external environment reduces the purity of the input state and the transmission channel. To investigate the behavior of these protocols under realistic conditions, we selected the main decoherence maps reported in the literature concerning the description of this phenomenon, including the representation of mixed states through the Kraus operators and systems in thermal equilibrium whose Hamiltonian is described by the Heisenberg model. In this context, we proved that there are cases in which the in uence of external factors (such as increasing temperature and decoherence rates) and the immersion of those qubits in distinct environments help increasing the similarity between the properties of the original information and the teleported state. In addition, we studied the probabilistic teleportation protocol under the in uence of the same noise conditions analysed for the deterministic protocol, and the results here obtained show that the rst process can outperform the expected value of the average delity of the teleported state. / O foco do presente trabalho consiste em explorar a viabilidade de se realizar o teletransporte de estados quânticos arbitrários em cenários onde a presença de um ambiente externo reduz a pureza do estado de entrada e do canal de transmissão de informação. Para investigar o comportamento destes protocolos em condições realistas, selecionamos os principais mapas de de coerência registrados na literatura relativos à descrição deste fenômeno, incluindo a representação de estados mistos através dos operadores de Kraus e de sistemas em equilíbrio térmico cujo Hamiltoniano é descrito pelo modelo de Heisenberg. Neste contexto, provamos que existem casos nos quais a influência de fatores externos (como o aumento da temperatura e das taxas de de coerência) e a imersão de qubits em ambientes distintos contribui para aumentar a semelhança entre as propriedades da informação original e as do estado teletransportado. Além disso, estudamos o método de teletransporte probabilístico sob a influência dos mesmos tipos de ruídos analisados para o protocolo determinístico, e os resultados aqui apresentados demonstram que o primeiro processo é capaz de aumentar ainda mais o valor esperado da fidelidade média do estado teletransportado.