Orientador: Antonio Vidiella Barranco / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-18T11:59:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_DouglasDelgadode_M.pdf: 7468816 bytes, checksum: aba803ba35bfdb89aa8428cc3b6862d3 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Neste trabalho, introduzimos um protocolo para a distribuição quântica de chaves (QKD) que faz uso de três estados comprimidos da luz: dois estados de bit, utilizados para a transmissão de informação, e um estado de Isca, utilizado para a detecção de espionagem. Seu desenvolvimento teve como base o protocolo de P. Horak (H04) para estados comprimidos, que por sua vez consiste de uma generalização do protocolo de R. Namiki e T. Hirano (NH03) para estados coerentes. Analisamos sua segurança considerando dois tipos de ataques: ataque por medida simultânea das quadraturas e ataque por troca do canal por canal superior. Para esta análise utilizamos uma descrição em termos da função de Wigner, obtendo a partir dela distribuições de probabilidade conjuntas e marginais. Da distribuição para os estados de Isca definimos uma Medida da Espionagem M, e discutimos sua utilidade para o cálculo da taxa de informação vazada para Eva em cada ataque. Por fim, para o ataque por troca do canal, analisamos o efeito da introdução de um limiar de pós-seleção sobre as informações de Bob e Eva, demonstrando que maiores distâncias de transmissão (menores transmissividades) podem ser suportadas pelo protocolo com o aumento deste parâmetro, ao custo de menores taxas de aceitação de bits / Abstract: In this work, we introduce a new protocol for Quantum Key Distribution which makes use of three squeezed coherent states of light: two bit states, used for transmission of information, and a Decoy state, used for eavesdropping detection. Its development was based on the protocol for squeezed coherent states suggested by P. Horak [39], which in turn consists of a generalization of the protocol by R. Namiki and T. Hirano [38] for coherent states. We analyze its security by considering two kinds of attack: simultaneous quadrature measurement attack and superior channel attack. For this analysis we use a description in terms of the Wigner function, obtaining from it some joint and marginal probability distributions. From the distribution for the Decoy states we define an Eavesdropping Measure M, and discuss its usefulness in calculating the rate of information leaked to Eve in each attack. Finally, for the superior channel attack, we analyze the influence of a post-selection threshold over the Bob and Eve information, showing that, by raising this parameter, larger transmission distances (smaller transmittivities) can be handled by the protocol at the expense of lower bit acceptance rates / Mestrado / Física Geral / Mestre em Física

Estudamos teoricamente a geração de estados emaranhados do campo eletromagnético através do processo de mistura de quatro ondas em uma nuvem de átomos frios em configuração duplo- trabalhando perto da ressonância. Mostra-se que neste caso é possível gerar emaranhamento com uma potência de bombeio muito menor do que na situação em que temos átomos quentes [17]. Baseando-se nos parâmetros da armadilha de átomos de rubídio de nosso laboratório, calcula-se uma violação de 46.5 % do limite imposto pela desigualdade DGCZ [59] para uma frequência de Rabi dos bombeios de =0.8 MHz (neste caso, equivalente a uma potência de 0.3 µW) e uma dessintonia de =20 MHz para uma transição enquanto a outra permanece ressonante. Também foi analisado o emaranhamento entre as bandas laterais dos feixes de prova e conjugado, estudando a estrutura do emaranhamento entre estes quatro modos através do critério positividade sobre transposição parcial em variáveis continuas. Nesta análise, se observaram correlações quânticas entre pares de campos (a banda superior do feixe de prova e a banda inferior do feixe conjugado, e a banda inferior do feixe de prova e a banda superior do feixe conjugado). Estas evidências, junto com as equações de evolução dos feixes, sugerem que a mistura de quatro ondas, dentro das considerações supostas neste trabalho, gera estados nos quais o emaranhamento é exclusivo entre as bandas laterais superior de um feixe com a inferior do outro. [17] Vincent Boyer et al. Science, 321-544 (2008). [59] Lu-Ming Duan et al. Phys. Rev. Lett 84-2722 (2000) / We have theoretically studied the generation of entangled states of the electromagnetic field through the four wave mixing (FWM) process in a cold atomic cloud in a double-, close to resonance configuration. It is shown that in this case it possible to generate entanglement with a pump power much weaker than in the situation which we have hot atoms [17]. Based in the parameters obtained in the magneto-optical trap (MOT) with rubidium at our laboratory, we calculated a violation of 46.5 % of the limit imposed by the DGCZ inequality [59] at a Rabi frequency of the pump fields of =0.8 MHz (in this case, this is equivalent to a pump power of 0.3 µW) and a detuning of =20 MHz in one of the transition, while the other one remains resonant. We also analysed the entanglement between the side bands of the probe and conjugate beams. Using the positive partial transpose criterion in continuous variables, we studied the structure of entanglement within these side bands. In this analysis we observed quantum correlations between pairs of fields (the upper side band of the probe beam with the lower side band of the conjugate beam, and the lower side band of the probe beam with the upper side band of the conjugate beam). These evidences, together with the evolution equations of the beams, suggest that the 4WM process, within the considerations made in this work, generates states where the entanglement is exclusive between the upper side band of one beam and the lower side band of the other. [17] Vincent Boyer et al. Science, 321-544 (2008). [59] Lu-Ming Duan et al. Phys. Rev. Lett 84-2722 (2000).

Orientador: Prof. Dr. Roberto Menezes Serra / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2016. / Termodinâmica Quântica é uma área emergente da Física que está associada a aplicação dos princípios termodinâmicos a sistemas que são geralmente pequenos, estão longe do equilíbrio térmico e nos quais efeitos quânticos são relevantes. Este novo campo de pesquisa deve contribuir substancialmente para o entendimento dos limites das novas tecnologias quânticas que envolvem processamento de informação, comunicação, metrologia, entre outras aplicações. No limite de pequenos sistemas longe do equilíbrio, flutuações de energia adquirem grande importância e quantidades termodinâmicas como trabalho, calor e produção de entropia tornam-se variáveis estocásticas regidas por teoremas de flutuação, sendo que o acesso às distribuições de probabilidade dessas flutuações é essencial para caracterizar completamente a termodinâmica de um processo fora do equilíbrio. Em um outro desenvolvimento, a possibilidade de aquisição e uso de informação sobre estados microscópicos foi incorporada na descrição teórica dos teoremas de flutuação, dando origem a contundentes conexões entre Termodinâmica e Teoria de Informação. Essas conexões possibilitam, entre outras coisas, obter uma expressão quantitativa em termos de variáveis microscópicas para o conceito filosófico da seta do tempo em um sistema quântico e entender, de um ponto de vista bastante fundamental, de onde emerge a assimetria entre passado e futuro, possibilitando também que se projete um sistema de feedback (retroalimentação) que pode operar como um demônio de Maxwell genuíno. Embora haja uma intensa atividade teórica na área, experimentos em Termodinâmica Quântica tem demorado a aparecer devido à dificuldade de acesso a flutuações de energia durante a evolução de sistemas quânticos fora do equilíbrio. Aplicações da técnica de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) que desenvolvemos nesta tese são capazes de contornar essa dificuldade. A partir dessas técnicas, reportamos a realização dos primeiros experimentos em Termodinâmica Quântica, incluindo a comprovação experimental dos teoremas de flutuação no regime quântico, a observação da emergência da seta do tempo (caracterizada pela produção de entropia) em um sistema quântico fechado não autônomo, a construção de uma máquina térmica quântica empregando spins nucleares e a implementação de um demônio de Maxwell em regime quântico. O estudo da Termodinâmica Quântica ainda está em sua infância e, por ser tão novo, ainda há divergências (em parte da comunidade) sobre alguns conceitos. Esperamos que essa tese contribua experimentalmente e teoricamente para avançar a noção de que as definições de grandezas termodinâmicas devem ser consistentes com os teoremas de flutuação, que continuam válidos no regime quântico e de poucas partículas. Em nossa opinião esses teoremas junto com as relações entre informação e energia formam o arcabouço teórico fundamental para o avanço da área. / Quantum Thermodynamics is an emerging topic in Physics, associated with applying the principles of Thermodynamics to systems that are usually small, far from thermal equilibrium and for which quantum effects are relevant. This new research field should give substantial contributions to understanding the limits and limitations of new quantum technologies involving information processing, communication, metrology, among others. In the limit of small systems far from equilibrium, energy fluctuations become very important and thermodynamical quantities such as work, heat and entropy production are treated as stochastic variables obeying fluctuation theorems. The possibility to access the probability distribution of fluctuations is essential to fully characterise the thermodynamics of an out-of-equilibrium process. In a related approach, the possibility to acquire and use information has been included in the theoretical framework of fluctuation theorems, paving the way for powerful connections between Thermodynamics and Information Theory. Such connections enable us, among other things, to derive a quantitative expression in terms of microscopic variables for the philosophical concept known as the arrow of time in a quantum system, and to understand in a fundamental level the origin of the asymmetry between past and future. These ideas can be used to design a feedback mechanism able to act as a genuine Maxwell demon. Even though there is intense theoretical activity, experiments in Quantum Thermodynamics have been taking a long time to appear, due to the difficulty in measuring energy fluctuations during an out-of-equilibrium quantum system evolution. However, techniques from Nuclear Magnetic Resonance (NMR) developed for this thesis are able to circumvent that problem. Using them, we report the first experiments in Quantum Thermodynamics, including the verification of the fluctuation theorems, the observation of the emergence of the arrow of time (quantified by entropy production) in a closed non-autonomous quantum system, the implementation of a quantum thermal machine using nuclear spins and the realization of a Maxwell demon in the quantum domain. The field of Quantum Thermodynamics is still in its infancy, and there are divergences (in part of the community) about some of its concepts. We hope that this thesis can contribute experimentally and theoretically to advance the notion that the definitions of thermodynamical quantities must be consistent with the fluctuation theorems, which remain valid in the the quantum, low-particle-number regime. It is our opinion that these theorems, together with relations between information and energy, form the fundamental theoretical framework that will help advance the field.

Estudamos teoricamente a geração de estados emaranhados do campo eletromagnético através do processo de mistura de quatro ondas em uma nuvem de átomos frios em configuração duplo- trabalhando perto da ressonância. Mostra-se que neste caso é possível gerar emaranhamento com uma potência de bombeio muito menor do que na situação em que temos átomos quentes [17]. Baseando-se nos parâmetros da armadilha de átomos de rubídio de nosso laboratório, calcula-se uma violação de 46.5 % do limite imposto pela desigualdade DGCZ [59] para uma frequência de Rabi dos bombeios de =0.8 MHz (neste caso, equivalente a uma potência de 0.3 µW) e uma dessintonia de =20 MHz para uma transição enquanto a outra permanece ressonante. Também foi analisado o emaranhamento entre as bandas laterais dos feixes de prova e conjugado, estudando a estrutura do emaranhamento entre estes quatro modos através do critério positividade sobre transposição parcial em variáveis continuas. Nesta análise, se observaram correlações quânticas entre pares de campos (a banda superior do feixe de prova e a banda inferior do feixe conjugado, e a banda inferior do feixe de prova e a banda superior do feixe conjugado). Estas evidências, junto com as equações de evolução dos feixes, sugerem que a mistura de quatro ondas, dentro das considerações supostas neste trabalho, gera estados nos quais o emaranhamento é exclusivo entre as bandas laterais superior de um feixe com a inferior do outro. [17] Vincent Boyer et al. Science, 321-544 (2008). [59] Lu-Ming Duan et al. Phys. Rev. Lett 84-2722 (2000) / We have theoretically studied the generation of entangled states of the electromagnetic field through the four wave mixing (FWM) process in a cold atomic cloud in a double-, close to resonance configuration. It is shown that in this case it possible to generate entanglement with a pump power much weaker than in the situation which we have hot atoms [17]. Based in the parameters obtained in the magneto-optical trap (MOT) with rubidium at our laboratory, we calculated a violation of 46.5 % of the limit imposed by the DGCZ inequality [59] at a Rabi frequency of the pump fields of =0.8 MHz (in this case, this is equivalent to a pump power of 0.3 µW) and a detuning of =20 MHz in one of the transition, while the other one remains resonant. We also analysed the entanglement between the side bands of the probe and conjugate beams. Using the positive partial transpose criterion in continuous variables, we studied the structure of entanglement within these side bands. In this analysis we observed quantum correlations between pairs of fields (the upper side band of the probe beam with the lower side band of the conjugate beam, and the lower side band of the probe beam with the upper side band of the conjugate beam). These evidences, together with the evolution equations of the beams, suggest that the 4WM process, within the considerations made in this work, generates states where the entanglement is exclusive between the upper side band of one beam and the lower side band of the other. [17] Vincent Boyer et al. Science, 321-544 (2008). [59] Lu-Ming Duan et al. Phys. Rev. Lett 84-2722 (2000).

Neste trabalho utilizamos como ferramentas de estudo as técnicas de LenteTérmica (LT) e Z-scan, ambas resolvidas no tempo, para caracterizar parâmetrostérmicos e eletrônicos do índice de refração não-linear de sólidos dopados. O método de LT usando uma amostra referência e o método variando ocomprimento de onda de excitação, foram usados para determinar a eficiência quântica da fluorescência de sólidos dopados com + 3 Nd . O efeito da concentração e os processos de transferência de energia por “upconversion Auger" e relaxação cruzada também foram estudados neste trabalho. A técnica de LT também foi aplicada para determinar o coeficiente de caminho ótico com a temperatura em vários materiais. Foram estudados vidros fluoretos, vidros aluminato de cálcio com baixa concentração de sílica e os cristais YAG, YVO4, YLF, LiSAF e LiSGaF. Os resultados mostram o potencial da técnica de LT para obter o valor absoluto deste importante parâmetro ótico, o qual é crucial para quem trabalha no projeto de cavidade de laseres de estado sólido. Em alguns sólidos dopados com íons terras-rara, existe um índice de refração não linear 2 n devido a diferença de polarizabilidade, ?a, entre os estados fundamental e excitados, chamado efeito de Lente de População (LP). Geralmente, parte da energia absorvida é convertida em calor, gerando o efeito chamado de Lente Térmica (LT). Neste trabalho mostramos que a técnica de Z-scan pode, em alguns casos, discriminar as não linearidades eletrônica (LP) e térmica (LT). Nós medimos 2 n em vários vidros fluoretos dopados com + 3 Nd . A diferença de polarizabilidade, ?a, e a diferença de seção de choque de absorção, s ? , entre o estado excitado (4F 3/2) e o estado fundamental (4I 9/2) foram determinados em fluorozirconato, fluoroindato e fluoroaluminato. / In this work we have associated the time-resolved Thermal Lens (TL) and Z-scan techniques to characterize the thermal and electronic parameters of solids. The TL method, using a reference sample, and the multiwavelength method were used to determine the fluorescence quantum efficiency of + 3 Nd -doped solids. The concentration doping effects and energy transfer process via Auger upconversion, as well as the cross relaxation were also studied in this work. The TL technique was also applied to determine the thermal optical path length coefficient in several materials. The sample studied were fluoride and low silica-content calcium aluminate glasses, and the crystals YAG , 4 YVO , YLF , LiSAF and LiSGaF . Results indicate the potentiality of the TL to obtain the absolute value of this important optical parameter, which is of crucial importance to those working with solid state laser cavities. In some rare-earth ion-doped solids there is a non-linear refractive index 2 n due to the polarizability difference, a D , between excited and ground states, the so-called Population Lens (PL) effect. Usually, part of the absorbed energy is converted into heat originating the so-called Thermal Lens (TL) effect. In this work, it is also shown that the Z-scan technique may, in some cases, discriminate the electronic (PL) and thermal (TL) non-liearities. We measured the 2 n in several + 3 Nd doped fluoride glasses. The polarizability difference, a D , and absorption cross-section difference, s D , between excited ( 4F 3/2 ) and ground ( 4I 9/2 ) states of + 3 Nd were determined in fluorozirconate, fluoroindate and fluoroaluminate glasses.

Orientador: Andrei Yuryevich Mikhailov / Banca: George Emanuel Avraam Matsas / Banca: Victor de Oliveira Rivelles / Resumo: A quantização geométrica é um procedimento para construir uma teoria quântica a partir de elementos geométricos de um sistema clássico considerado como uma variedade simplética. Ele fornece uma abordagem matemática para uma teoria quântica com uma ampla gama de aplicações que vão desde sistemas com partículas até teorias de campo quântico, para as quais a variedade simplética é o espaço cotangente do espaço de campos (elementos do espaço cotangente são variações infinitesimais). Por outro lado, o método WKB fornece uma maneira de construir uma solução aproximada para a equação de Schrödinger na mecânica quântica a partir de elementos geométricos no espaço de fase de soluções de um sistema clássico. Estas notas são uma revisão de alguns artigos sobre essas duas abordagens da mecânica quântica. / Abstract: Geometric quantization is a procedure to construct a quantum theory from geometric elements of a classical system regarded as a symplectic manifold. It provides a mathematical approach to a quantum theory with a wide range of applications that go from systems with particles to quantum field theories, for which the symplectic manifold is the cotangent space of the space of fields (elements of the cotangent space are infinitesimal variations). On the other side, WKB method provides a way to construct an approximate solution to the Schrödinger equation in quantum mechanics from geometric elements on the phase space of solutions of a classical system. These notes are a review of some papers on those two approaches to quantum mechanics / Mestre

Nos últimos anos a Ressonância Magnética Nuclear(RMN) vem se apresentando como uma das principais técnicas que possibilitam a realização física de portas lógicas reversíveis e algoritmos quânticos. Do ponto de vista da computação quântica, um dos assuntos de maior relevância é a determinação completa da matriz densidade do sistema físico no qual a implementação experimental está sendo feita. Este método é chamado de tomografia de estados quânticos. Em sistemas de spins com I=1/2 acoplados, a tomografia da matriz densidade já é bem estabelecida. No caso de núcleos quadrupolares (I>1/2) este problema ainda está em aberto e um método geral e funcional ainda não foi proposto. Neste trabalho é apresentado um método de executar a tomografia em sistemas de núcleos quadrupolares com I=3/2. É demonstrado que aplicando um apropriado ciclo de fases dos pulsos de leitura do sinal de RMN, as intensidades das linhas dependem somente dos elementos da diagonal da matriz densidade do sistema, sendo possível determiná-los. Então são propostas seqüências de pulsos seletivos com diferentes fases que trazem elementos fora da diagonal para a diagonal, sendo possível determiná-los. Os experimentos foram feitos em uma amostra líquido-cristalina, onde o núcleo observado foi o 23Na, e os resultados experimentais são apresentados.

Nesta tese, um estudo é feito do modelo bi-dimensional descrito pela densidade de Lagrangeana. Na primeira parte deste trabalho, discute- se a teoria de perturbação na constante de acoplamento g para as funções de Green. Mostra-se como e possível construir um esquema de renormalização de modo que não sejam induzidas interações quadri-lineares nos férmions quando M=0. Aplicando a identidade de Ward da corrente axial, prova-se então, que o limite M = 0 coincide, em qualquer ordem de g, com as funções de Green do modelo com massa do fermion nula, que e exatamente solúvel. Na segunda parte da tese , o termo de massa do férmion em L é tratado como uma perturbação em torno da teoria não livre. Após uma resomação parcial da série perturbativa, mostra-se que as funções de Green Euclidianas tornam-se finitas no intervalo O g POT. 2< pela introdução de um contra-termo proporcional a (:cos2g:1). A quebra da invariança pelas transformações - POT. 5 é verificada explicitamente por meio da identidade de Ward da corrente axial. / In this thesis, a study is made of the two-dimensional model described by the Lagrangean density. In the first part of this work, the perturbation theory in the coupling constant g is discussed for the Green functions. It is shown how to construct a renormalization scheme such that no four-linear interactions in the fermion field are induceded when m=0 by applying the axial current Ward identity, it is then proved that the M=O limit agrees, in every order of g, with the Green functions of the soluble model with massless fermion. In the second part of the thesis, the fermion mass term in L is considered as a perturbation on the interacting theory. After a partial resummation of the perturbative series, it is shown that the Euclidean Green functions are made finite for 0g²< introducing a counter-term proportional to (:cos2g:1). Breaking of -5 symmetry is explicity verified through the axial current Ward identity.

Neste trabalho, estudamos alguns aspectos da física de neutrinos, usando os formalismos de vetores de estado e de matriz densidade, com o objetivo de entender a evolução dos neutrinos no universo primordial. No primeiro formalismo, analisamos o fenômeno de oscilação de neutrinos no vácuo, o potencial induzido pela matéria e sua expressão como um índice de refração, e a influência de efeitos de temperatura finita em tal índice. Iniciamos o segundo formalismo com o estudo de sistemas oscilantes de dois níveis sujeitos à colisões com o meio. Deduzimos uma equação de evolução da matriz densidade que descreve um sistema de neutrinos no universo primordial. Para tanto, usamos uma abordagem simplificada e outra baseada em primeiros princípios. / In this work, we studied some aspects of neutrino physics, using the state vector and density matrix formalisms, with the goal of understanding the neutrino evolution in the primordial universe. In the rst approach, we analysed the phenomenum of neutrino oscillation in vacuum, the induced matter potential and its expression as a refraction index, and the influence of finite temperature efects in such index. We began the second formalism with the study of oscillating two levels systems subject to collisions with media. We derived an evolution equation for the density matrix that describes a neutrino system in the primordial universe. To that end, we used one simplified approach and another based on first principles.

Orientador: Donato Giorgio Torrieri / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-02T05:31:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Truran_HenriqueDias_M.pdf: 940156 bytes, checksum: 80a833549f8b10145a3af3b38fc79eca (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: Teoria quântica de campos é uma das mais bem sucedidas teorias da física contemporânea, e suas aplicações no estudo de sistemas acelerados um interessante tópico de pesquisa. De termalização em física de íons pesados à radiação de eletrons em QED de alta intensidade, o estudo de TQC em referenciais acelerados parece mais relevante do que nunca. Nessa dissertação nós apresentamos uma introdução aos princípios da teoria quântica de campos, como podemos estuda-la em referenciais acelerados, e como relacionar a física que um observador acelerado vê com os fenômenos observados no referencial inercial do laboratório / Abstract: Quantum field theory is one of the most successful theories of contemporary physics, and its applications to the study of accelerated systems an interesting topic of research. From thermalization in heavy-ion physics to radiation emission by electrons in high-intensity QED, the study of QFT in accelerated reference frames seems more relevant than ever. In this thesis we present an introduction to the principles quantum field theory, how we can study it in accelerated reference frames, and how to relate the physics seen by an accelerated observer's point of view with the phenomena observed in the inertial frame of the laboratory / Mestrado / Física / Mestre em Física / 132651/2015-7 / CNPQ