Orientador: Marcos César de Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin. / Made available in DSpace on 2018-08-13T03:07:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Steinhoff_FrankEduardodaSilva_M.pdf: 633661 bytes, checksum: 4c5305fba85a1d80713ed5dfe1f90f32 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Propomos um método para obtenção de propriedades de sistemas quânticos compostos utilizando apenas medições estritamente locais e comunicação clássica. Isso difere dos esquemas usualmente utilizados em protocolos de informação quântica, que se utilizam em sua maioria de operações globais e/ou operações locais conjuntas. Nosso tratamento consiste em analisar o efeito de medições em um subsistema sobre as submatrizes da matriz densidade do sistema composto. Analisamos então como outros subsistemas podem ser expressos em termos dessas submatrizes, obtendo assim o efeito das medições feitas em um subsistema sobre os outros. Aplicamos esse resultado - válido para sistemas com espaços de Hilbert discretos de dimensão arbitrária - a dois problemas centrais em protocolos de informação quântica: a reconstrução de estados de sistemas compostos e a caracterização de emaranhamento. Para a tarefa de reconstrução, mostramos como determinar um estado de um sistema composto de dimensão finita arbitrária utilizando apenas medições locais e comunicação clássica de uma via. A vantagem de nossa proposta está em eliminar a necessidade de medições conjuntas, o que se traduz, no contexto de ótica linear, em eliminar medições de coincidência. Analisamos a caracterização de emaranhamento considerando classes especiais de estados. Para estados com alta simetria - estados isotrópicos, de Werner e de simetria rotacional constituídos por um qubit e um qudit - mostramos uma relação entre o grau de emaranhamento e a diferença de população medida por um subsistema condicionada a medições de paridade do outro subsistema, relação essa já evidenciada em estados gaussianos simétricos. Além disso, propomos uma nova família de estados cujo emaranhamento pode ser caracterizado com muito menos recursos do que os utilizados para a reconstrução, sendo esses recursos estritamente locais. / Abstract: We propose a method to obtain properties of composite quantum systems using strictly local measurements and classical communication only. This differs from schemes usually employed in quantum information protocols where global and/or joint local operations are commonly used. Our treatment consists of analysing the effect of measurements of a system over submatrices of the density matrix of the compound system. We analyse then how copies of a subsystem can be expressed in terms of these submatrices, obtaining thus the effect of the measurements done in a subsystem upon the others. We apply this result - valid for discrete Hilbert spaces of arbitrary dimension - to two central problems in quantum information protocols: the state reconstruction of composite systems and entanglement characterization. For the reconstruction task, we show how to determine a state of a arbitrary finite dimension composite system using local measurements and one-way classical communnication only. The advantage of our proposal lies in elimnating the need for joint measurements, which translates as eliminating coincidence measurements in linear optics context. We analyse entanglement characterization considering special classes of states. For high symmetry states -isotropic states, Werner states and rotationally symmetric states composed of a qubit and a qudit - we show a relation between entanglement degree and population difference measured by one subsystem conditioned to parity measurements of the other subsystem, this relation already present in gaussian symmetric states. Moreover, we propose a new family os states whose entanglement can be characterized with much fewer resources than that used for reconstruction, this resources being strictly local. / Mestrado / Física / Mestre em Física

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

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Esta tese apresenta alguns resultados sobre dois temas importantes para a teoria da informaÃÃo quÃntica: entrelaÃamento quÃntico e algoritmos quÃnticos Com respeito ao entrelaÃamento à estabelecida uma relaÃÃo entre a negatividade e os menores principais de matrizes Hermitianas o que permite analisar o entrelaÃamento para estados de dois qubits e estados puros de trÃs e quatro qubits usando os menores principais Foi proposta tambÃm uma nova medida para o cÃlculo do entrelaÃamento de estados puros de seis qubits usando a negatividade Para ambos os casos o cÃlculo da variaÃÃo do entrelaÃamento de estados parametrizados foi realizado atravÃs de fÃrmulas analÃticas e simulaÃÃes numÃricas Por fim com relaÃÃo aos algoritmos quÃnticos à proposto um algoritmo de busca capaz de achar o mÃnimo de uma funÃÃo realizando apenas uma mediÃÃo ao final do algoritmo O algoritmo à descrito e um exemplo de utilizaÃÃo do mesmo no cÃlculo do perÃodo de uma funÃÃo periÃdica à apresentado / This thesis presents some results about two important subjects of the quantum information theory: quantum entanglement and quantum algorithms. Regarding the entanglement, a relationship between negativity and minors principals of Hermitian matrices was stablished, allowing the analysis of the entanglement of two qubits states, three and four qubits pure states, using the minors principals. It was also proposed a new measure, using negativity, for calculating the entanglement of pure states of six qubits. Finally, with respect to quantum algorithms it was proposed a quantum search algorithm able to finding the minimum of a function by performing only one measurement. The algorithm is described and an example of its usage in the calculation of the period of a periodic function is presented.

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

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第20916号 / 理博第4368号 / 新制||理||1627(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 高柳 匡, 教授 川合 光, 教授 杉本 茂樹 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

This thesis is concerned with the collective dynamics in different spin chains and spin ensembles in solid-state materials. The focus is on the manipulation of electron spins, through spin-spin and spin-photon couplings controlled by voltage potentials or electromagnetic fields. A brief review of various systems is provided to describe the possible physical implementation of the ideas, and also outlines the basis of the adopted effective interaction models. The first two ideas presented explore the collective behaviour of non-interacting spin chains with external couplings. One focuses on mapping the identical state of spin-singlet pairs in two currents onto two distant, static spins downstream, creating distributed entanglement that may be accessed. The other studies a quantum memory consisting of an array of non-interacting, static spins, which may encode and decode multiple flying spins. Both chains could effectively `enhance' weak couplings in a cumulative fashion, and neither scheme requires active quantum control. Moreover, the distributed entanglement generated can offer larger separation between the qubits than more conventional protocols that only exploit the tunnelling effects between quantum dots. The quantum memory can also `smooth' the statistical fluctuations in the effects of local errors when the stored information is spread. Next, an interacting chain of static spins with nearest-neighbour interactions is introduced to connect distant end spins. Previously, it has been shown that this approach provides a cubic speed-up when compared with the direct coupling between the target spins. The practicality of this scheme is investigated by analysing realistic error effects via numerical simulations, and from that perspective relaxation of the nearest-neighbour assumption is proposed. Finally, a non-interacting electron spin ensemble is reviewed as a quantum memory to store single photons from an on-chip stripline cavity. It is then promoted to a full quantum processor, with major error effects analysed.

This thesis probes the usefulness of non-classical correlations within imperfect continuous variable decoherent quantum systems. Although a consistent function and practical usefulness of these correlations is largely unknown, it is important to examine their characteristics in more realistic dissipative systems, to gain further insight into any possible advantageous behaviour. A bipartite separable discordant state under the action of controlled loss on one subsystem was considered. Under these conditions the Gaussian quantum discord not only proved to be robust against loss, but actually improves as loss is intensified. Harmful imperfections which reduce the achievable level of discord can be counteracted by this controlled loss. Through a purification an explanation of this effect was sought by considering system-environment correlations, and found that a flow of system-environment correlations increases the quantumness of the state. Entanglement recovery possibilities were discussed and revealed the importance of hidden quantum correlations along bi-partitions across the discordant state and a classically prepared "demodulating" system, acting in such a way as to partially cancel the entanglement preventing noise. Entanglement distribution by separable states was studied by a similar framework, in an attempt to explain the emergence of quantum entanglement by a specific flow of correlations in the globally pure system. Discord appears to play a less fundamental role compared to the qubit version of the protocol. The strengthening of non-classical correlations can be attributed to a flow of classical and quantum correlations. This work proves that discord can be created in unique ways and, in select circumstances, can act to counteract harmful imperfections in the apparatus. Due to this advantageous behaviour discord indeed may ultimately aid in more applicable "real world" applications, which are by definition decoherent.

Singularities in quantum spectra - ground state and excited-state quantum phase transitions - are often connected with singularities in the classical limit of the system and have influence on other properties, such as quantum entanglement, as well. In the first part of the thesis we study quantum phase transitions within the U(2)-based Lipkin model. The relation between quasistationary points of the classical potential and the respective singularities in the spectrum is shown. In the second part, a system of two-level atoms interacting with electromagnetic field in an optical cavity is studied within two simplified models (non-integrable Dicke model and its integrable approximation known as Jaynes-Cummings model). The behaviour of quantum entanglement in these models is shown with a focus on the vicinity of the singular points.