Orientador: Prof. Dr. Fernando Luis Semião Da Silva / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2014. / Nessa tese, foram utilizadas ferramentas da Informação Quântica para estudar a dinâmica e efeitos de memória induzidos de maneira controlada em um qubit supercondutor. Propomos dois sistemas ou arquiteturas em Eletrodinâmica Quântica de Circuitos para realizar tal tipo de controle. A característica comum as duas arquiteturas é a presença de modos, ou linhas de transmissão, acopladas. Porém, em cada caso, o acoplamento se dá por mecanismos e formas diferentes. Um dos objetivos da tese foi justamente mostrar em que regimes as previsões físicas de cada modelo começam a divergir. Nesses estudos, analisamos a chamada não-Markovianidade em sistemas quânticos abertos, característica relacionada a memória ou tempo de correlação finito nas variáveis do ambiente. Também nos interessou o estudo de correlações quânticas como emaranhamento, e seu uso em aplicações como o teletransporte quântico. Nossos resultados encontram aplicações no controle coerente de sistemas quânticos abertos e, principalmente, constituem a primeira proposta na literatura para a indução, controle e medida de não-Markovianidade em qubits supercondutores. / In this thesis, tools from Quantum Optics were used to study the dynamics and memory effects controllably induced on a superconducting qubit. We proposed two different systems or architectures in the context of circuit quantum electrodynamics to achieve that level of control. The common feature shared by both architectures is the presence of modes or transmission lines that are coupled together. However, in each case the coupling is given by different mechanisms and forms. One of the main objectives of the thesis was precisely to show the regimes in which the physical predictions employing each model start to diverge. In these studies, we analysed the so called Non-Markovianity in open quantum systems, a feature related to memory or finite correlation time in the environmental variables. In addition, we were interested in the study of quantum correlations such as entanglement, and its use for quantum teleportation. Our results find applications in the problem of coherent control of open quantum systems, and most importantly, they constitute the first proposal in the literature for the induction, control and measurement of Non-Markovianity in superconducting qubits.

One of the main goals of the theory of open quantum systems is to devise methods which help preserve the quantum properties of a system interacting with its environment. One possible pathway to achieve this goal is to use non-Markovian reservoirs, characterized by information backflows and revivals of certain quantum properties. These reservoirs usually require advanced engineering techniques, which may turn their implementation impractical. In this dissertation we propose an alternative technique: the injection of a classical colored noise, which induces the desired quantum non-Markovianity. In order to do that, we investigate the dynamics of a quantum system interacting with its surrounding environment and under the injection of a classical stochastic colored noise. A time-local master equation for the system is derived by using the stochastic wave function formalism and functional calculus. Afterwards, the non-Markovianity of the evolution is detected by using the Andersson, Cresser, Hall and Li measure, which is based on the decay rates of the master equation in canonical Lindblad-like form. Finally, we evaluate the measure for three different colored noises and study the interplay between environment and noise pump necessary to induce quantum non-Markovianity, as well as the energy balance of the system. / Um dos objetivos principais da teoria de sistemas quânticos abertos é desenvolver métodos que ajudem a preservar as propriedades quânticas de um sistema interagindo com o ambiente. Um possível caminho para alcançar essa meta é usar reservatórios não-Markovianos, caracterizados por refluxos de informação e renascimento de certas propriedades quânticas. Esses reservatóris geralmente requerem o uso de técnicas avançadas de engenharia, o que pode tornar sua implementação impraticável. Nessa dissertação nós propomos uma técnica alternativa: a injeção de um ruído colorido clássico, o qual induz a desejada não-Markovianidade quântica. De modo a fazer isso, nós investigamos a dinâmica de um sistema quântico interagindo com o ambiente e sob a injeção de um ruído colorido clássico estocástico. Uma equação mestra local no tempo é derivada usando-se do formalismo da função de onda estocástica e de técnicas de cálculo funcional. Após isso, a não-Markovianidade da evolução é detectada através da medida de Andersson, Cresser, Hall e Li, a qual é baseada nos coeficientes da equação mestra na forma de Lindblad-like canônica. Finalmente, nós calculamos a medida para três diferentes ruídos coloridos e estudamos a relação entre o ambiente e o bombeio estocástico necessária para induzir não-Markovianidade quântica, assim como o balanço de energia do sistema.

One of the main goals of the theory of open quantum systems is to devise methods which help preserve the quantum properties of a system interacting with its environment. One possible pathway to achieve this goal is to use non-Markovian reservoirs, characterized by information backflows and revivals of certain quantum properties. These reservoirs usually require advanced engineering techniques, which may turn their implementation impractical. In this dissertation we propose an alternative technique: the injection of a classical colored noise, which induces the desired quantum non-Markovianity. In order to do that, we investigate the dynamics of a quantum system interacting with its surrounding environment and under the injection of a classical stochastic colored noise. A time-local master equation for the system is derived by using the stochastic wave function formalism and functional calculus. Afterwards, the non-Markovianity of the evolution is detected by using the Andersson, Cresser, Hall and Li measure, which is based on the decay rates of the master equation in canonical Lindblad-like form. Finally, we evaluate the measure for three different colored noises and study the interplay between environment and noise pump necessary to induce quantum non-Markovianity, as well as the energy balance of the system. / Um dos objetivos principais da teoria de sistemas quânticos abertos é desenvolver métodos que ajudem a preservar as propriedades quânticas de um sistema interagindo com o ambiente. Um possível caminho para alcançar essa meta é usar reservatórios não-Markovianos, caracterizados por refluxos de informação e renascimento de certas propriedades quânticas. Esses reservatóris geralmente requerem o uso de técnicas avançadas de engenharia, o que pode tornar sua implementação impraticável. Nessa dissertação nós propomos uma técnica alternativa: a injeção de um ruído colorido clássico, o qual induz a desejada não-Markovianidade quântica. De modo a fazer isso, nós investigamos a dinâmica de um sistema quântico interagindo com o ambiente e sob a injeção de um ruído colorido clássico estocástico. Uma equação mestra local no tempo é derivada usando-se do formalismo da função de onda estocástica e de técnicas de cálculo funcional. Após isso, a não-Markovianidade da evolução é detectada através da medida de Andersson, Cresser, Hall e Li, a qual é baseada nos coeficientes da equação mestra na forma de Lindblad-like canônica. Finalmente, nós calculamos a medida para três diferentes ruídos coloridos e estudamos a relação entre o ambiente e o bombeio estocástico necessária para induzir não-Markovianidade quântica, assim como o balanço de energia do sistema.