This thesis explores the role of non-classical correlations in bipartite continuous variable quantum systems, and the approach taken is three-fold. We show that given two initially entangled atomic ensembles, it is possible to probabilistically increase the entanglement between them using a beamsplitter-like interaction formed from two quantum non-demolition (QND) interactions with auxiliary polarised light modes. We then develop an elegant method to calculate density matrix elements of non-Gaussian bipartite quantum states and use this to show that the entanglement in a two mode squeezed vacuum can be distilled using QND interactions and non-Gaussian elements. Secondly, we introduce a potential new measure of quantum entanglement in bipartite Gaussian states. This measure has an operational meaning in quantum cryptography and provides an upper bound on the amount of a secret key that can be distilled from a Gaussian probability distribution shared by two conspirators, Alice and Bob, given the presence of an eavesdropper, Eve. Finally, we go beyond the realm of quantum entanglement to explore other non-classical correlations in continuous variable systems. We provide solutions for a number of these measures on two mode Gaussian states and introduce the Gaussian Ameliorated Measurement Induced Disturbance (GAMID). The interplay between these different measures and quantum entanglement is examined. We then attempt to take small steps into the non-Gaussian regime by computing these non-classicality measures on the three-parameter continuous variable Werner states.

Orientador: Antonio Vidiella Barranco / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-02T14:05:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Roque_ThalesFigueiredo_D.pdf: 3246905 bytes, checksum: 13e2147eea29b73345cec6df9138b5a1 (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: Os sistemas optomecânicos são sistemas físicos onde a radiação interage com graus de liberdade mecânicos por meio da pressão de radiação. Estes sistemas destacam-se pela flexibilidade e pelo alto grau de controle sobre a interação optomecânica. Nesta tese, nós apresentamos um estudo teórico acerca dos sistemas optomecânicos, o qual pode ser dividido em duas partes: a primeira parte se dedica ao uso de sistemas optomecânicos na geração de estados não clássicos, e a segunda parte se dedica ao estudo da localização de Anderson em redes optomecânicas. Na primeira parte, nós estudamos, primeiramente, a geração de estados da radiação com estatística sub-Poissoniana no regime quântico não linear. Este tópico já havia sido estudado anteriormente em um sistema convencional composto por uma cavidade ótica acoplada a um oscilador mecânico. Neste trabalho, consideramos um sistema onde duas cavidades óticas interagem com um único oscilador mecânico. Nós mostramos que o sistema estudado permite a geração de estados com estatística sub-Poissoniana significativamente mais acentuada do que o sistema convencional. Além disso, os estados gerados são mais robustos com respeito ao ruído térmico do ambiente. Em seguida, estudamos a geração de estados estacionários comprimidos do oscilador mecânico em sistemas optomecânicos quadráticos operando no regime quântico linear. Nós mostramos que, bombeando a cavidade ótica com \textit{lasers} com frequências e amplitudes específicas, é possível gerar estados estacionários comprimidos do oscilador mecânico. Na segunda parte, nós estudamos a localização de Anderson em redes optomecânicas desordenadas. Redes optomecânicas são arranjos espacialmente ordenados de inúmeros modos óticos e mecânicos que interagem entre si por meio do acoplamento optomecânico. Em um cenário realista, devido a imprecisões na fabricação deste sistema, os parâmetros seriam desordenados. Nossos resultados mostram que os autoestados deste sistema são exponencialmente localizados. Além disso, observamos a existência de dois regimes de operação em redes optomecânicas desordenadas: o regime de acoplamento fraco e o regime de acoplamento forte. A transição entre estes dois regimes apresenta características não triviais que poderiam ser utilizadas para detectar experimentalmente a localização nestas estruturas. Nós estudamos também a dinâmica clássica de redes optomecânicas desordenadas no regime instável. Este é um tópico bastante desafiador, uma vez que a dinâmica é essencialmente não linear neste regime. Nós mostramos que, em um regime de parâmetros específico, é possível utilizar a aproximação linear para tempos curtos, e os resultados desta aproximação fornecem importantes informações sobre a dinâmica não linear. Nós ainda analisamos brevemente a emergência de comportamento caótico neste regime / Abstract: Optomechanical systems are systems in which radiation interacts with mechanical degrees of freedom via radiation pressure. These systems are well known for allowing great flexibility and high control over the optomechanical interaction. In this thesis, we present a theoretical investigation about optomechanical systems. This investigation can be divided in two parts: the first part is devoted to the generation of nonclassical states in optomechanical systems, and the second part is devoted to the study of Anderson localization in optomechanical arrays. In the first part, we study, firstly, the generation of optical sub-Poissonian states in the quantum nonlinear regime. This topic has been previously investigated in a conventional optomechanical system with one optical cavity coupled to one mechanical oscillator. Here, we investigate a system with two optical cavities coupled to one mechanical oscillator. We show that our system allows the generation of stronger sub-Poissonian states in comparison with the conventional system. In addition, the states generated in our system are more robust against thermal noise. Next, we investigate the generation of squeezed steady states of the mechanical oscillator in a quadratic optomechanical system operating in the quantum linear regime. We show that, if the optical cavity is pumped by lasers with specific frequencies and amplitudes, it is possible to generate such states. In the second part, we investigate Anderson localization in disordered optomechanical arrays. Optomechanical arrays are periodic arrays of optical and mechanical modes, which interact with each other via optomechanical coupling. In a realistic scenario, due to imprecisions in the fabrication of such a structure, the parameters of the system will be disordered. We show that the eigenstates in this system are exponentially localized. Furthermore, we show the existence of two regimes in disordered optomechanical arrays: the weak coupling regime and the strong coupling regime. The transition between these regimes displays nontrivial features that could be used to detect localization experimentally. We study also the classical dynamics of disordered optomechanical arrays in the unstable regime. This is a very challenging topic, since the unstable regime is essentially nonlinear. We show that, for a specific regime of parameters, it is possible to use the linear approximation for small times, and the linear results give us important informations about the nonlinear dynamics. We analyze briefly the emergence of chaotic behavior in the regime / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 2012/10476-0 / FAPESP

Orientador: Marcos Cesar de Oliveira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-23T01:00:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Steinhoff_FrankEduardodaSilva_D.pdf: 2714393 bytes, checksum: d1256ecbace356f03551217989caaae6 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A presente tese é um conjunto de resultados relativos à não-classicalidade e ao emaranhamento, que são conceitos fundamentais da física quântica contemporânea. Começamos desenvolvendo uma representação de quasiprobabilidade para sistemas discretos baseada em conjuntos de bases mutuamente não-viesadas, que é uma construção relacionada a um pilar da teoria quântica: o princípio de complementaridade. O conjunto de estados clássicos em nossa representação de quasiprobabilidade já está presente em muitos cenários relacionados, tanto de abordagens fundamentais, bem como práticas e a noção de classicalidade obtida é, portanto, bem-justificada. Um resultado profundo resulta de nossa representação: para qubits, as unidades básicas da teoria da informação quântica, o princípio de complementaridade proíbe a presença de conjecturadas configurações além da física quântica. Assim, a existência de tais objetos superquânticos implicaria uma violação da complementaridade, uma violação que exigiria uma reformulação total das bases conceituais da física quântica. Apresentamos, em seguida, um outro resultado sobre a detecção de não-classicalidade em termos de quantidades observáveis disponíveis na prática. O método está relacionado à noção de não-classicalidade induzida pela tarefa de criação de emaranhamento, que gera uma definição de classicalidade simples mas geral para sistemas físicos arbitrários. Por fim, apresentamos uma nova classe de emaranhamento não-destilável, um fenômeno não-intuitivo em teoria de emaranhamento de difícil caracterização. A construção teórica é baseada em sistemas atualmente utilizados em experimentos de ótica quântica, abrindo assim a possibilidade de implementação prática dos estados emaranhados não-destiláveis em sistemas de variáveis contínuas / Abstract: The present thesis is a collection of results concerning nonclassicality and entanglement, which are fundamental concepts in contemporary quantum physics. We start developing a quasiprobability representation for discrete systems based on sets of mutually unbiased basis, which is a construction related to one pillar of quantum theory: the complementarity principle. The set of classical states in our quasiprobability representation is already present in many related scenarios, both from foundational as well as practical approaches and the notion of classicality obtained is thus well-justified. A deep result follows from our representation: for qubits, the basic units of quantum information theory, the complementarity principle forbids the presence of conjectured configurations beyond quantum physics. Hence, the existence of such superquantum objects would imply a violation of complementarity, a violation that would demand a total reformulation of the conceptual foundations of quantum physics. We present then another result concerning the detection of nonclassicality in terms of observable quantities available in practice. The method is related to the nonclassicality notion induced by the task of entanglement creation, imposing a simple but general definition of classicality for arbitrary physical systems. Finally, we present a novel class of bound entanglement, a non-intuitive phenomenon in entanglement theory that is very hard to characterize. The theoretical construction is based on schemes used currently in quantum optical experiments, thus opening a possibility of practical implementation of bound entangled states in continuous variables systems / Doutorado / Física / Doutor em Ciências