Investigamos as propriedades quânticas conjuntas dos três feixes intensos de luz produzidos por um oscilador paramétrico ótico (OPO) operando acima do limiar, denominados bombeio, sinal e complementar. Analisamos experimentalmente as flutuações quânticas de intensidade e fase destes feixes, e como se correlacionam. Observamos pela primeira vez a presença de correlações quânticas entre as fases dos três campos. O ruído observado na soma das fases de sinal e complementar, Vq12=1,28(3)>1, passa a apresentar compressão de ruído após ser corrigido pelas flutuações de fase do feixe de bombeio, resultando em (Vq12)\' =0,84(3)<1. Para potências mais altas de bombeio, observamos também a existência de correlações quânticas diretamente entre as amplitudes do feixe de bombeio e um dos feixes convertidos (sinal ou complementar); a máxima compressão de ruído medida correspondeu a Vp02=0,86(3)<1. Estendemos nosso estudo às propriedades de emaranhamento deste sistema tripartite, para tanto utilizando dois critérios distintos. Nossos dados apontam a separabilidade do sistema no regime de operação estudado, em contradição com o modelo teórico. Utilizando o critério de emaranhamento de P. van Loock e A. Furusawa, obtivemos os seguintes valores para as combinação de variâncias que comprovariam a inseparabilidade caso fossem menores que 2: V0=1,29(5)<2, V1=2,04(11)>2 e V2=2,09(7)>2. Com relação ao segundo critério de separabilidade, positividade sob transposição parcial, obtivemos os seguintes autovalores simpléticos a partir da matriz de covariância medida: A0=0,94(8) e A1=0,36(6)<1, em que o emaranhamento seria evidenciado caso A0<1 e A1<1. Esta discordância com a previsão teórica está relacionada a um ruído clássico espúrio observado no sistema, cujas características são levantadas nesta tese. Nossa análise indica os rumos a serem seguidos para a observação do emaranhamento. Mostramos teoricamente que o emaranhamento tripartite previsto pode ser utilizado como recurso para a criação de um sistema emaranhado multipartite. Para tanto, diversos OPOs são utilizados em uma configuração em cadeia, na qual o feixe de bombeio refletido pelo primeiro OPO serve de bombeio para o segundo e assim sucessivamente. Este esquema permite a geração de uma rede quântica multicolor escalável. Por fim, descrevemos a construção de um laser de Ti:safira que representa o primeiro passo na integração entre luz não-clássica e física atômica a ser investigada em nosso laboratório. Este laser pode ser utilizado, ao mesmo tempo, como bombeio do OPO e de uma nuvem de átomos. O emaranhamento tripartite gerado no OPO estabeleceria a conexão destes últimos com os feixes convertidos, cujos comprimentos de onda possibilitariam a transmissão direta destes feixes de luz através de fibras óticas comerciais de telecomunicação. / We have investigated the collective quantum properties of the three bright light beams produced by an optical parametric oscillator (OPO) operating above threshold, named pump, signal, and idler. We have analyzed experimentally their intensity and phase quantum fluctuations, and how they are correlated. For the first time, we have observed the existence of phase quantum correlations among the three beams. The measured phase-sum noise between signal and idler, Vq12=1,28(3)>1, presents squeezing when corrected by the phase fluctuations of the pump beam, resulting in (Vq12)\'=0,84(3)<1. For higher pump powers, we have observed the existence of amplitude quantum correlations directly between pump and one of the downconverted beams (signal or idler); the maximum measured squeezing level corresponded to the noise Vp02=0,86(3)<1. Our investigations included the entanglement properties of this tripartite system, tested by two different criteria. Our data points to the separability of the system in the accessible regime of operation, in contradiction with the theoretical predictions. Applying the criterion by P. van Loock and A. Furusawa, we have obtained the following values of combinations of variances which would attest the inseparability in case values smaller than 2 would be obtained: V0=1,29(5)<2, V1=2,04(11)>2, and V2=2,09(7)>2. For the second criterion, the positivity under partial transpose, we have obtained the following symplectic eigenvalues calculated from the measured covariance matrix: A0=0,94(8) and A1=0,36(6)<1, where entanglement is attested in case A0<1,and A1<1. This discrepancy with the theoretical prediction is caused by a classical spurious noise observed in the system, which characteristics are investigated in this thesis. Our analysis indicates the path to successfully observe tripartite entanglement. We show theoretically that the predicted tripartite entanglement can be employed as a resource for the construction of a multipartite entangled system. This is accomplished by pumping several OPO\'s with the same optical field, such that the pump beam reflected by the first OPO is utilized to pump a second one, and so on. This scheme allows the generation of a multicolor scalable quantum network. Finally, we describe the construction of a Ti:sapphire laser which represents the first step in the integration between non-classical light and atomic physics to be investigated in our laboratory. This laser could be employed at the same time to pump an OPO and to interact with a cloud of atoms. The tripartite entanglement produced by the OPO could then entangle the atoms to the downconverted beams, which wavelength would allow the transmission of these beams through commercial optical fibers for telecom.

Neste trabalho exploramos o emaranhamento em sistemas de muitos férmions. Para o estudo de sistemas inomogêneos, propusemos uma aproximação de densidade local (LDA) para a entropia de emaranhamento de um único sítio com o restante do sistema e uma LDA para o emaranhamento entre blocos de sítios. Analisamos as contribuições universal e não-universal do emaranhamento entre blocos e obtivemos uma expressão para o termo não-universal. Usando o modelo de Hubbard unidimensional, investigamos o emaranhamento em nanoestruturas eletrônicas, quantificando o emaranhamento de um único sítio com relação ao restante da cadeia via entropia de emaranhamento. Para o modelo de Hubbard homogêneo estudamos o comportamento do emaranhamento em função da densidade, da magnetização, da interação eletrônica e de campos magnéticos externos. Encontramos que o emaranhamento é sensível às fases metálica, isolante e supercondutora. Observamos um platô de emaranhamento na região do gap de spin e verificamos que susceptibilidade magnética e emaranhamento estão intrinsecamente relacionados. Obtendo as energias e densidades do modelo de Hubbard inomogêneo através da Teoria do Funcional da Densidade e usando nossa proposta LDA para a entropia de emaranhamento, exploramos o comportamento do emaranhamento na presença de diversas inomogeneidades: superredes, impurezas e confinamento harmônico. Verificamos que o emaranhamento sempre diminui com a inomogeneidade, embora os efeitos de cada inomogeneidade sejam completamente diferentes. Encontramos uma relação entre energias de troca e correlação, de Hartree e cinética, capaz de prever quantitativamente o emaranhamento em função de qualquer das inomogeneidades. / In this work we investigated entanglement in many-fermions systems. To explore inhomogeneous systems we proposed a local density approximation (LDA) for the single-site entanglement entropy. We analysed the universal and nonuniversal contributions to block-block entanglement and obtained an expression for the nonuniversal term. We employ a description in terms of the one-dimensional Hubbard model to investigate the entanglement in electronic nanostructures and to quantify the single-site entanglement with respect to the rest of the chain by means of the entanglement entropy. For the homogeneous Hubbard model we studied the entanglement behavior as a function of density, magnetization, electronic interaction and external magnetic fields. We found that the entanglement is sensitive to the metallic, insulating and superconducting phases. We observed an entanglement plateau in the region of the spin gap and verified that magnetic susceptibility and entanglement are intrinsically related. Energies and densities of the inhomogeneous Hubbard model, obtained from Density Functional Theory, combined with our proposal of an LDA for the entanglement entropy, were used to explore the behavior of the entanglement entropy in the presence of several inhomogeneities: superlattices, impurities and harmonic confinement. We verified that entanglement always decreases with the inhomogeneity, although the effect of each inhomogeneity is completely different. For the same model we found a relation of exchange-correlation, Hartree and kinetic energies, able to predict quantitatively the entanglement as a function of any inhomogeneity.

O processamento de informação quântica requer medidas, muitas vezes precedidas devoluções unitárias. Uma descrição realista de um computador quântico também deve levar em conta que o sistema interage com um ambiente externo - distinto do observador - que o remove de sua evolução ideal, gerando erros. Neste trabalho, fazemos um estudo da dinâmica de sistemas quânticos observados múltiplas vezes ou continuamente, enquanto interagem com ambientes externos. Para tanto, empregamos uma equação mestra híbrida, que permite modelar uma interação contínua e markoviana do sistema com o medidor, enquanto o ruído do ambiente apresenta características não markovianas. O estudo da dinâmica de uma medida contínua ruidosa revela que o sistema melhor preserva suas populações iniciais quando é realizada a medida de uma observável que não comuta com os operadores do ruído produzido pelo ambiente. Estes resultados, já conhecidos para o caso simples de um qubit de memória interagindo com o vácuo, são generalizados para uma temperatura inicial superior a zero e para um qubit submetido a uma porta quântica. A universalidade destes fenômenos de preservação da população inicial permite fazer analogia com o efeito Zenão quântico. Mantendo o mesmo formalismo, mas adaptando a interação com o ambiente para descrever um decaimento verificamos que o efeito Zenão quântico é observado para acoplamentos fracos com o ambiente. Tratamos também de como tal conhecimento sobre a preservação das populações pela medida auxilia na elaboração de melhores formas de preservar a informação em códigos quânticos. Com o auxílio da teoria das medidas fracas, propomos um possível método experimental simples para o teste da validade dos modelos de descrição de medidas contínuas. Com este estudo da dinâmica de uma medida quântica, esperamos elucidar questões de ordem prática no processamento de informação quântica, assim como ajudar no melhor entendimento de questões fundamentais, como o postulado da medida. / The processing of quantum information requires measurements, often preceded by unitary evolutions. A faithful description of a quantum computer should also take into account that the system interacts with an external environment - other than the observer - that removes it from its ideal evolution, causing errors. Here, we study the dynamics of quantum systems observed multiple times or continuously, while they interact with external environments. To do this, we employ a hybrid master equation, which allows us to model a continuous, Markovian interaction between the system and the measurement apparatus, while the environmental noise presents non-Markovian features. This study of the dynamics of the noisy continuous measurement reveals that the system better preserves its initial populations when the observable measured does not commute with the environmental noise operators. These results, already known for the simpler case of a memory qubit interacting with vacuum, are generalized for an initial temperature above zero and a qubit undergoing a quantum gate. The universality of these phenomena of preservation of the initial populations allows an analogy with the Quantum Zeno Effect. Keeping the same formalism, but adapting the environmental interaction to describe a decay, we verify that the quantum Zeno effect is observed for weak coupling with the environment. We also deal with how the knowledge about the preservation of the populations by the measurement helps in creating better ways to preserve the information in quantum codes. With the help of the weak measurement theory, we propose a simple experimental method to test the validity of models that describe a continuous measurement. With this study of the dynamics of a quantum measurement, we hope to help solve practical issues in quantum information processing, as well as provide greater insight into fundamental questions, such as the measurement postulate.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-10-15T14:42:23Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Rafael Victor Helerbrock Mendonça - 2018.pdf: 6753278 bytes, checksum: 6741ba09a1e9b7ba44ef23b86fd1d89a (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-10-15T14:52:23Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Rafael Victor Helerbrock Mendonça - 2018.pdf: 6753278 bytes, checksum: 6741ba09a1e9b7ba44ef23b86fd1d89a (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-15T14:52:23Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Rafael Victor Helerbrock Mendonça - 2018.pdf: 6753278 bytes, checksum: 6741ba09a1e9b7ba44ef23b86fd1d89a (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-07-13 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Goiás - FAPEG / The present work aims to describe pertinent theoretical aspects related to the scope of quantum computation, an increasing ascent area in contemporary physics, besides presenting the elaboration and application of a virtual learning environment created in the Moodle platform directed to high school students. Through AVA, it was intended that students produce new knowledge, seeking to promote their scientific literacy regarding the fundamental aspects of quantum computing / O presente trabalho se objetiva a descrever os aspectos teóricos pertinentes ao âmbito da computação quântica, uma área de crescente ascensão na Física contemporânea, além de apresentar a elaboração e aplicação de um ambiente virtual de aprendizagem criado na plataforma Moodle direcionado para alunos do Ensino Médio. Através da utilização do AVA, pretendeu-se que os alunos produzissem novos conhecimentos, buscando a promoção de sua alfabetização científica relativa aos aspectos fundamentais da computação quântica.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The prospect of simulating many-body quantum phenomena in coupled high-quality optical cavities has attracted a lot of interest over the past few years. The major advantages are twofold. First, this approach allows a high degree of control and addressability of individual sites and, second, the composite nature of particles, now involving mixed atomic and photonic excitations, namely polaritons, paves the way to the realization of novel strongly correlated regimes of light and matter. Despite being promising quantum simulators, cavity networks are also suited platforms for distributed quantum information processing and quantum communication. This thesis comprises two studies on coupled-cavity systems described by the Jaynes-Cummings-Hubbard model. Particularly, here we introduce protocols for quantum-state transfer and control in two different structures. The first study deals with a one-dimensional coupled-cavity array where each cavity interacts with a single atom. For a staggered pattern of inter-cavity couplings, a pair of field normal modes, each bi-localized at the array ends, arises. A rich structure of dynamical regimes can hence be addressed depending on which resonance condition between the atom and field modes is set. We show that this can be harnessed to carry out high-fidelity quantum-state transfer of photonic, atomic or polaritonic states. Moreover, by partitioning the array into coupled modules of smaller length, the QST time can be substantially shortened without significantly affecting the fidelity. Further, we explore the dynamics of photonic and atomic excitations on an Apollonian network under different atom-photon interaction regimes. We show that the normal-mode spectrum spanned by this kind of network induces a non-trivial propagation dynamics depending on connection degree among nodes, thereby being useful for connecting different quantum-network users. Our results are driven towards communication protocols in quantum networks comprised of light-matter interfaces, thus paving the way for large-scale quantum information processing. / A perspectiva de simular fenômenos quânticos de sistemas de muitos corpos em cavidades ópticas acopladas tem atraído bastante interesse nos últimos anos. O alto grau de controle experimental e a natureza híbrida das partículas envolvidas, denominada poláritons, fornecem uma nova direção no estudo de sistemas fortemente correlacionados envolvendo interação entre luz e matéria. Além disso, redes de cavidades são plataformas promissoras para processamento de informação quântica em redes quânticas. Esta tese é constituída por dois estudos em redes de cavidades acopladas descritas pelo modelo Jaynes-Cummings-Hubbard. Em particular, desenvolvemos protocolos de transferência e controle de estados quânticos em duas estruturas distintas. No primeiro estudo, consideramos uma cadeia unidimensional de cavidades com um padrão alternado de acoplamento entre as cavidades, cada uma interagindo com um átomo. Neste cenário, um par de modos normais do campo eletromagnético torna-se fortemente localizado nas extremidades da cadeia. Dessa forma, uma vasta estrutura de regimes dinâmicos pode ser manipulada dependendo da ressonância entre os modos normais atômicos e do campo. Mostramos como isso pode ser utilizado para realizar protocolos de transferência de estado quântico envolvendo estados fotônicos, atômicos ou híbridos, com alta fidelidade. Também discutimos como reduzir o tempo de transmissão de estados, sem comprometer sua eficiência, particionando a cadeia em módulos. Em seguida, exploramos a dinâmica de excitações atômicas e fotônicas em uma rede complexa de Apolônio considerando diversos regimes de interação. Mostramos que o espectro de modos normais induzido por este tipo de rede também oferece diversas alternativas no controle da dinâmica do sistema. Além disso, a natureza complexa da rede de Apolônio induz uma dinâmica de propagação não-trivial que depende do grau de conexão entre os sítios, podendo ser assim aplicada para conectar diferentes usuários de uma rede quântica. Nossos resultados contribuem para o desenvolvimento de protocolos de comunicação em redes quânticas utilizando dispositivos de interface luz-matéria, abrindo assim caminho para o processamento de informação quântica em larga escala.

Orientador: Prof. Dr. Roberto Menezes Serra / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, Santo André, 2018.

Orientadores: Jose Antonio Roversi, Antonio Vidiella Barranco / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-10T23:26:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Munhoz_PabloParmezani_D.pdf: 2389817 bytes, checksum: 8dde8d8180015b471d0fc6581dc6ee87 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Neste trabalho, analisamos conceitos de Informação Quântica e Óptica Quântica no contexto de Eletrodinâmica Quântica de Cavidades (CQED). Recentemente, CQED vem apresentando grandes avanços tecnológicos, justificando o interesse em várias propostas de implementação experimental. Na primeira parte do trabalho, consideramos o efeito da emissão espontânea num sistema de dois átomos de dois-níveis idênticos interagindo dispersivamente com o campo eletromagnético quantizado numa cavidade de alto fator de qualidade Q. Investigamos o efeito destrutivo do decaimento atômico na geração de estados maximamente emaranhados. Em particular, calculamos a fidelidade de teletransporte, obtendo o limite superior para a taxa de decaimento espontâneo dos átomos que ainda permite teletransporte usando tais estados como canal quântico. Na segunda parte, apresentamos os Estados Coerentes Emaranhados Tipo-Cluster (CTECS) e discuti-mos suas propriedades. Apresentamos um esquema de geração desses estados em cavidades, mediante escolhas convenientes de interações átomo-cavidade, através do ajuste de dessintonias e aplicação de um campo clássico externo. Após a realização de medidas atômicas, CTECS representando campos eletro-magnéticos não-locais em cavidades separadas podem ser gerados. Generalizamos o esquema de geração para 2p-cavidades e analisamos a utilidade do CTECS gerado para teletransporte, considerando perda de fótons nas cavidades / Abstract: In this work, we analyze concepts of Quantum Information and Quantum Optics in the context of Cavity Quantum Electrodynamics (CQED). Nowadays, CQED is achieving great technological advances, justifying the interest in several proposals of experimental implementation. In the first part of the work, we consider the effect of spontaneous emission in a system of two identical two-level atoms dispersively interacting with the quantized electromagnetic field inside a high quality factor Q cavity. We investigate the destructive effect of the atomic decay in the generation of maximally entangled states. In particular, we compute the fidelity of teleportation, obtaining an upper limit for the spontaneous atomic decay rate which still allows teleportation using those states as quantum channels. In the second part, we present the cluster-type entangled coherent states (CTECS) and discuss their properties. We present a generation scheme of these states in cavities, by means of convenient choices of atom-field interactions, through adjustments of detunings and application of a classical external field. After the realization of simple atomic measurements, CTECS representing nonlocal electromagnetic fields in separate cavities can be generated. We generalize the scheme for 2p-cavities, analyzing the utility of the generated CTECS for teleportation, considering photon leakage in the cavities / Doutorado / Física Clássica e Física Quântica : Mecânica e Campos / Doutor em Ciências

Orientador: Jose Antonio Roversi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-11T05:38:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nohama_FabianoKenji_D.pdf: 1986556 bytes, checksum: dce935416c59935cf9e7d868f74c5653 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Nesta tese estudamos um sistema de duas cavidades acopladas e sua interação com átomos de dois níveis bem como com íons aprisionados. Para o acoplamento entre as cavidades consideramos dois mecanismos distintos: (1) acoplamento pela sobreposição dos campos e; (2) acoplamento via fibra óptica. Considerando a interação dos campos acoplados com átomos de dois níveis nós observamos o emaranhamento em um sistema tripartite (quando as cavidades estão interagindo com apenas um átomo). Também foi possível obter a transferência do estado quântico entre dois átomos localizado em cavidades diferentes. Além disso elaboramos uma proposta relativamente simples para a geração de estados maximamente emaranhados (estados de Bell) entre dois átomos utilizando as duas cavidades acopladas. Por último, estudamos dois íons aprisionados, cada um deles localizado no interior de cavidades diferentes. As duas cavidades sendo conectadas por uma fibra óptica. Neste caso foi possível observar a transferência de um conjunto de estados de dois-qubits a partir dos graus de liberdade (de movimento e dos estados internos) de um dos íons para o outro, localizado em uma cavidade diferente. Nas propostas envolvendo a transferência de estados quânticos e a geração de estados de Bell foram incluídos os efeitos de dissipação devido à presença de um reservatório de temperatura T = 0K. Com isso pudemos concluir que as propostas são confiáveis para as reais taxas de dissipação observadas em experimentos / Abstract: In this thesis we studied a system of two coupled cavities and its interaction with two-level atoms and trapped ions. For the coupling between the cavities we considered two situations: (1) coupling due the overlap between the fields and; (2) coupling by optical fiber. Considering the interaction of the coupled fields with two-level atoms we observed the entanglement in a tripartite system (when the cavities are interacting with only one atom). When both cavities are interacting with an atom it was possible to obtain the quantum state transfer between two atoms located in different cavities. Besides, we conceived a relatively simple proposal to the generation of maximally entangled states (EPR states) between two atoms using the two coupled cavities. At last we studied two trapped ions, each one located inside different cavities. The two cavities are connected by an optical fiber, where it was possible to observe the transfer of a two-qubits set from the movement and internal states degrees of freedom of one of the ions to the other one, located in a different cavity. In the proposals involving the quantum state transfer and the EPR state genera-tion we included the dissipation effects due the presence of a reservoir at temperature T = 0. With this we concluded that the proposals are reliable considering dissipation rates observed in experiments / Doutorado / Física Geral / Doutor em Ciências

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-10-01T14:15:29Z No. of bitstreams: 1 ELLOÁ BARRETO GUEDES COSTA - TESE PPGCC 2013..pdf: 53314941 bytes, checksum: 3758326a173b3852e098b78e3e03a1fc (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-01T14:15:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ELLOÁ BARRETO GUEDES COSTA - TESE PPGCC 2013..pdf: 53314941 bytes, checksum: 3758326a173b3852e098b78e3e03a1fc (MD5) Previous issue date: 2013-11-13 / CNPq / A Teoria da Informação Quântica é uma área de pesquisa a qual considera o estudo dos limites máximos possíveis para o processamento e transmissão da informação, considerando que esta última encontra-se representada de acordo com as leis da Mecânica Quântica. Uma das maneiras de contribuir com esta área de pesquisa é no desenvolvimento de contrapartidas quânticas para os conceitos da Teoria da Informação Clássica. Graças a esta abordagem é que foi proposta a Teoria da Informação Quântica Erro-Zero, a qual considera o uso e as condições para que canais quânticos ruidosos possam transmitir informação clássica sem erros de decodificação. Apesar da proposição desta teoria e dos progressos recentes, foi identificado que o conhecimento das potencialidades, limitações e aplicações desta teoria ainda é incipiente. Na tentativa de minimizar este problema, esta tese apresenta dois novos conceitos ligados à Teoria da Informação Quântica Erro-Zero: (i) a capacidade quântica de sigilo erro-zero; e a (ii) informação acessível erro-zero de fontes quânticas. Em relação à primeira contribuição, tem-se o estabelecimento das condições necessárias para enviar informação por canais quânticos ruidosos sem que haja erros de decodificação e com sigilo absoluto, identificando uma nova capacidade de canais quânticos, estabelecendo a relação desta capacidade com a Teoria dos Grafos e identificando as situações em que esta possui caracterização de letra isolada. A segunda contribuição trata da proposição de uma medida de informação sobre fontes quânticas, a qual mensura o potencial de decodificar, sem erros, estados quânticos emitidos por estas fontes. Obter esta medida é um problema análogo ao de calcular a capacidade erro-zero de canais clássicos equivalentes e não há medida equivalente na Teoria da Informação Erro-Zero Clássica. Os conceitos propostos colaboram para o desenvolvimento da Teoria da Informação Quântica Erro-Zero em termos teóricos e práticos, uma vez que é possível considerar implementações de ambas contribuições com tecnologia existente atualmente. Além disto, intersecções da Teoria da Informação Quântica Erro-Zero junto à Criptografia, Teoria dos Grafos e Ciência da Computação são identificadas. O estabelecimento de tais contribuições colabora diretamente para a resolução de um dos desafios da Teoria da Informação Quântica, o qual trata da determinação de limites para a classe de tarefas de processamento de informação que são possíveis considerando a utilização da Mecânica Quântica. / Quantum Information Theory is a research area that investigates the limits of information processing and transmission considering the laws of Quantum Mechanics. The translation of concepts from Classical Information Theory is a widely known approach to contribute to Quantum Information Theory. Thanks to that, the Quantum Zero-Error Information Theory was proposed. This theory investigates the use and the conditions for classical information exchange through noisy quantum channels without decoding errors. Despite the recent developments, it wasidentified that the knowledge about its potentialities, limitations and applications is still incipient. In the attempt to minimize this problem, this thesis presents two new concepts related to the Quantum Zero-Error Information Theory: (i) the quantum zero-error secrecy capacity; and the (ii) zero-error quantum accessible information. Regarding the first contribution, there is the establishment of the required conditions to send information through quantum channels without decoding errors and with perfect secrecy. This proposal identifies a new capacity of quantum channels, enlightens its relation with Graph Theory, and shows the situations where this capacity has single-letter characterization. Regarding the second contribution, there is the proposal of a quantum information measurement which quantifies the error-free decoding ability of a quantum source. Obtaining such measurement is a problem equivalent to the one of determining the zero-erro capacity of an equivalent classical channel and for which there is no counterpart in Classical Zero-Error Information Theory. The concepts proposed collaborate to Quantum Zero-Error Information Theory in theoretical and practical ways, since it is possible to implement both of them using current technology. Moreover, intersections with Cryptography, Graph Theory and Computer Science were identified. These concepts contribute straightforwardly to the resolution of a challenge of Quantum Information Theory which is the determination of the limits for the tasks of information processing that can be accomplished considering the use of Quantum Mechanics.

Submitted by JÚLIO HEBER SILVA (julioheber@yahoo.com.br) on 2017-07-05T20:29:06Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Emile Raymond Ferreira Taillebois - 2013.pdf: 1511356 bytes, checksum: 65cfae075ab1d008ea3249e5ffc19da9 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Cláudia Bueno (claudiamoura18@gmail.com) on 2017-07-07T19:11:05Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Emile Raymond Ferreira Taillebois - 2013.pdf: 1511356 bytes, checksum: 65cfae075ab1d008ea3249e5ffc19da9 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-07T19:11:05Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Emile Raymond Ferreira Taillebois - 2013.pdf: 1511356 bytes, checksum: 65cfae075ab1d008ea3249e5ffc19da9 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2013-11-08 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / In this dissertation, the use of the partial trace of momentum degrees of freedom in the construction of spin reduced density matrices for relativistic massive systems is analyzed. In the regime considered here, massive particles can be described by irreducible unitary representations of the Poincar e group, and the base states are labeled by the dynamical variables of momentum and spin. The reduced density matrices obtained by the partial trace of momenta have unusual properties, since they are not covariant under the action of restricted Lorentz transformations. That behavior produces some important consequences in the study of quantum information in relativistic systems. However, recent arguments have been presented against the use of those matrices in the description of processes involving the transfer of information stored in spin degrees of freedom of relativistic massive particles. Those criticisms are discussed in this dissertation and a connection with the structure of the space of states associated with a given unitary representation is established through a detailed study of the induced representation method applied to the Poincar e group. This allows rewriting the criticisms in literature without the need of a speci c model of interaction for the spin measurement. Besides that, the analysis performed here allows to establish a new method to construct e ective spin reduced density matrices. The presented approach allows recovering the results in the literature and, at the same time, to incorporate the criticisms in a consistent way. However, it is necessary to abandon the usual partial trace of the momentum degrees of freedom and the interpretation in the literature for the spin reduced density matrices. The examples presented in the arguments against the usual spin reduced density matrices are studied using the approach proposed in this dissertation. / Nesta dissertação, a utilização do traço parcial dos momentos na construção de matrizes densidade reduzidas de spin para partículas massivas relativisticas é analisada. No regime considerado, as partículas massivas podem ser descritas por representações unitárias do grupo de Poincaré, e os estados de base são rotulados pelas variáveis dinâmicas de momento e spin. As matrizes reduzidas obtidas por meio do traço parcial dos momentos possuem propriedades inusitadas, pois não são covariantes sob a ação de transformações de Lorentz restritas. Essa característica traz consequências importantes para o estudo da teoria da informação quântica em sistemas relativísticos. No entanto, argumentos recentes têm sido apresentados contra o uso dessas matrizes nos processos de transmissões de informação envolvendo os graus de spin de partículas massivas. Essas críticas são discutidas neste trabalho e uma conexão com a estrutura do espaço de estados associado a representação unitária em questão é estabelecida por meio de um estudo detalhado do método das representações induzidas aplicado ao grupo de Poincaré. Isso permite reescrever as críticas presentes na literatura sem a necessidade de se introduzir um modelo específico de interação associado à medida do spin das partículas. Alem disso, a análise realizada nesta dissertação permite estabelecer um novo método para a construção de matrizes densidade reduzidas efetivas de spin. A proposta apresentada permite recuperar os resultados presentes na literatura e, ao mesmo tempo, incorporar as críticas de maneira consistente. No entanto, para isso é necessário abandonar o traço parcial usual dos graus de liberdade de momento e a interpretação dada na literatura para as matrizes densidade reduzidas de spin. Os exemplos apresentados nas argumentações contra as matrizes densidade reduzidas de spin usuais são estudados utilizando o método proposto neste trabalho.