Neutral atom systems are an appealing platform for the development and testing of quantum control and measurement techniques. This dissertation presents experimental investigations of control and measurement tools using as a testbed the 16-dimensional hyperfine manifold associated with the electronic ground state of cesium atoms. On the control side, we present an experimental realization of a protocol to implement robust unitary transformations in the presence of static and dynamic perturbations. We also present an experimental realization of inhomogeneous quantum control. Specifically, we demonstrate our ability to perform two different unitary transformations on atoms that see different light shifts from an optical addressing field. On the measurement side, we present experimental realizations of quantum state and process tomography. The state tomography project encompasses a comprehensive evaluation of several measurement strategies and state estimation algorithms. Our experimental results show that in the presence of experimental imperfections, there is a clear tradeoff between accuracy, efficiency and robustness in the reconstruction. The process tomography project involves an experimental demonstration of efficient reconstruction by using a set of intelligent probe states. Experimental results show that we are able to reconstruct unitary maps in Hilbert spaces with dimension ranging from d=4 to d=16. To the best of our knowledge, this is the first time that a unitary process in d=16 is successfully reconstructed in the laboratory.

I present a series of experimental and theoretical advances in the field of quantum state estimation. Techniques for measuring the quantum state of light that were originally developed for distinguishable photons fail when the particles are indistinguishable. I develop new methods for handling indistinguishability in quantum state estimation. The technique I present provides the first complete description of states of experimentally indistinguishable photons. It allows me to derive the number of parameters needed to describe an arbitrary state and to quantify distinguishability. I demonstrate its use by applying it to the measurement of the quantum polarization state of two and three-photon systems. State characterization is optimal when no redundant information is collected about the state of the system. I present the results of the first optimal characterization of the polarization state of a two-photon system. I show an improved estimation power over the previous state of the art. I also show how the optimal measurements lead to a new description of the quantum state in terms of a discrete Wigner function. It is often desirable to describe the quantum state of a system in terms of properties that are not themselves quantum-mechanical observables. This usually requires a full characterization of the state followed by a calculation of the properties from the parameters characterizing the state. I apply a technique that allows such properties to be determined directly, without a full characterization of the state. This allows one such property, the purity, to be determined in a single measurement, regardless of the size of the system, while the conventional method of determining purity requires a number of measurements that scales exponentially with the system size.

I present a series of experimental and theoretical advances in the field of quantum state estimation. Techniques for measuring the quantum state of light that were originally developed for distinguishable photons fail when the particles are indistinguishable. I develop new methods for handling indistinguishability in quantum state estimation. The technique I present provides the first complete description of states of experimentally indistinguishable photons. It allows me to derive the number of parameters needed to describe an arbitrary state and to quantify distinguishability. I demonstrate its use by applying it to the measurement of the quantum polarization state of two and three-photon systems. State characterization is optimal when no redundant information is collected about the state of the system. I present the results of the first optimal characterization of the polarization state of a two-photon system. I show an improved estimation power over the previous state of the art. I also show how the optimal measurements lead to a new description of the quantum state in terms of a discrete Wigner function. It is often desirable to describe the quantum state of a system in terms of properties that are not themselves quantum-mechanical observables. This usually requires a full characterization of the state followed by a calculation of the properties from the parameters characterizing the state. I apply a technique that allows such properties to be determined directly, without a full characterization of the state. This allows one such property, the purity, to be determined in a single measurement, regardless of the size of the system, while the conventional method of determining purity requires a number of measurements that scales exponentially with the system size.

<p dir="ltr">This thesis advances the methodologies of quantum state tomography (QST) to validate and optimize quantum processing on Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) devices, crucial for the transition to practical quantum systems. Inspired by recent advancements in the field, we propose a novel QST method based on the maximal entropy formalism, specifically addressing scenarios with incomplete measurement sets to provide a robust framework for state reconstruction. We extend this formalism to an informationally complete (IC) set of observables and introduce a variational approach for quantum state preparation, easily implementable on near-term quantum devices. Our developed maximal entropy-based QST protocol is applied to ultrafast molecular dynamics specifically for studying photoexcited ammonia molecule, enabling direct measurement and manipulation of electronic quantum coherences and exploring entanglement effects in molecular systems. Through this approach, we achieve a groundbreaking milestone by, for the first time, constructing the entanglement entropy of the electronic subsystem - an otherwise inaccessible metric. In doing so it also provides the first physical interpretation of the maximal entropy parameters in an experimental setting and highlights the potential for feedback between time-resolved quantum dynamics and quantum information science. Furthermore, building upon our advancements in state tomography, we propose a variational quantum algorithm for Hamiltonian learning that leverages the time dynamics of observables. Additionally, we reverse engineer the maximal entropy approach and demonstrate the use of entropy to refine the traditional geometric Brownian motion (GBM) method for better capturing real system complexities by addressing its log-normality restrictions, which opens new avenues for quantum sampling techniques. Through these contributions, this thesis showcases the Maximal Entropy formalism’s efficacy in QST and set the stage for future innovations and applications in cutting-edge quantum research.</p>

Orientadores: Marcia Aparecida Gomes Ruggiero, Carlile Campos Lavor / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-21T21:36:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Goncalves_DouglasSoares_D.pdf: 2439739 bytes, checksum: 5c9361d700cb32cae7880de49fa5e892 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A preparação, manipulação e caracterização de sistemas quânticos são tarefas essenciais para a computação quântica. Em Tomografia de Estados Quânticos, o objetivo é encontrar uma estimativa para a matriz de densidade, associada a um ensemble de estados quânticos identicamente preparados, baseando-se no resultado de medições. Este é um importante procedimento em computação e informação quântica, sendo aplicado, por exemplo, para verificar a fidelidade de um estado preparado ou em tomografia de processos quânticos. Nesta tese, estudamos métodos matemáticos aplicados aos problemas que surgem na reconstrução de estados quânticos. Na estimação por Máxima Verossimilhança, apresentamos dois métodos para a resolução dos problemas de otimização dessa abordagem. O primeiro se baseia em uma reparametrização da matriz de densidade e, neste caso, provamos a equivalência das soluções locais do problema de otimização irrestrita associado. No segundo, relacionado à verossimilhança multinomial, demonstramos a convergência global do método sob hipóteses mais fracas que as da literatura. Apresentamos também duas formulações para o caso de tomografia com um conjunto incompleto de medidas: Máxima Entropia e Tomografia Quântica Variacional. Propusemos uma nova formulação para a segunda, de modo a apresentar propriedades mais parecidas as da Máxima Entropia, mantendo a estrutura de um problema de programação semidefinida linear. Para outros problemas de otimização sobre o espaço de matrizes de densidade além do problema da Tomografia de Estados Quânticos, apresentamos um método de Gradiente Projetado que se mostrou efetivo em testes numéricos preliminares. Por fim, discutimos sobre a implementação de inferência Bayesiana, através de métodos Monte Carlo via cadeias de Markov, no problema de estimação da matriz de densidade / Abstract: Preparation, manipulation and characterization of quantum states are essential tasks for quantum computation. In Quantum State Tomography, the aim is to find an estimate for the density matrix associated to an ensemble of identically prepared quantum systems, based on the measurement outcomes. This is an important procedure in quantum information and computation applied for instance, to verify the fidelity of a prepared state or in quantum process tomography. In this thesis we study mathematical methods applied to problems that raise from the reconstruction of quantum states. In the Maximum Likelihood Estimation we present two methods to solve the optimization problems of this approach. The first one is based on a reparameterization of the density matrix and, in this case, we prove the equivalence of local solutions of the related unconstrained optimization problem. In the second one, related to multinomial likelihoods, we prove the global convergence of the method under weaker assumptions than those of literature. We also discuss two formulations to the case of quantum state tomography with incomplete measurements: Maximum Entropy and Variational Quantum Tomography. We propose a new formulation for the second one in order to have a similar behavior to the Maximum Entropy approach, keeping the linear semidefinite positive programming structure. Furthermore, in order to solve other optimization problems over the density matrices space besides the Quantum State Tomography, we present a Projected Gradient method which shows a good performance in preliminary numerical tests. We also briefly talk about the implementation of a Bayesian inference scheme, through Monte Carlo Markov chains methods, to the density matrix estimation problem / Doutorado / Matematica Aplicada / Doutor em Matemática Aplicada

No presente trabalho, buscou-se generalizar o Stern-Gerlach óptico para o caso de duas cavidades, as quais possuem eixos ópticos perpendiculares entre si. Nesse experimento, um pacote atomico de dois níveis incide em uma pequena fração do volume ocupado por dois modos, na região onde os nodos das ondas estacionárias de cada modo se superpõem. Diferentemente do Stern-Gerlach óptico de cavidade única, além do intercâmbio de fótons efetuado entre o átomo e cada modo separadamente, também ocorre interação modo-modo, mediada indiretamente pelo átomo. Esse fator contribui efetivamente na caracterização da distribuição de momento do átomo. Espera-se que os desvios de trajetória sofridos pelo átomo, decorrentes de sua interação simultânea com dois modos idênticos do campo de radiação, devam ser observados no plano definido pelas duas cavidades. O estudo é efetuado considerando-se o tratamento clássico da posição do centro de massa atômico, que está associado à sua direção de incidência. Além do que, considera-se a aproximação de Raman-Nath, na qual despreza-se a variação da energia cinética transversal ao movimento atômico, durante a interação átomo-modos. Verifica-se que a análise da distribuição de momento atômico transversal permite acessar a estatística de fótons dos modos das cavidades. Este resultado viabiliza a realização da tomografia dos estados de dois modos por meio da medida da distribuição de momento bidimensional dos átomos. Por fim, através da utilização de estados coerentes na configuração de cavidades cruzadas, investiga-se as possibilidades do controle da direção de deflexão do átomo para aplicações em litografia puramente quântica. / This work deals with the generalization of the optical Stern-Gerlach effect for two cavities whose optical axes are perpendicular to each other. An atomic wave of a two-level atom is focused on a small fraction of the volume occupied by the two modes, in the region where the standing waves nodes overlap. Unlike the optical Stern-Gerlach of single cavity, besides the separate photon exchange between an atom and each mode, there also occurs mode-mode interaction indirectly mediated by the atom. This fact contributes towards the characterization of the atomic momentum distribution. Trajectory deviations suffered by the atom due to its simultaneous interaction with the two identical modes of the radiation field are expected in the plane defined by the two cavities. The study is carried out considering the classical treatment of the atomic center of mass position, which is associated with its incidence direction. The Raman-Nath approximation, which neglects the variation in the kinetic energy transversal to the atomic motion during the interaction atom-modes is considered. The analysis of the transversal momentum distribution of the atom allows accessing the photon statistics of the cavities modes. This result enables the realization of the two-mode states tomography via measurement of the two-dimensional momentum distribution of the atom. Finally, by using coherent states of the crossed cavities configuration, the study investigates the possibilities of controlling the atomic deflection direction for applications to quantum lithography.

Este trabalho consiste na análise de um método de reconstrução/tomografia de estado quântico em ressonância magnética nuclear utilizando pulsos de radiofreqüência não-seletivos, que possuem a propriedade de promover rotações globais do sistema de spins 7/2. Tal método foi aplicado para reconstruir estados relacionados à computação quântica. As operações lógicas e os estados iniciais envolvidos nas operações quânticas foram construídos através de pulsos modulados optimizados numericamente; o processo de optimização, em particular, não foi tratado nesse trabalho. Foram elaborados programas que simulam: a construção dos estados e portas lógicas utilizando os parâmetros dos pulsos modulados; a aplicação dos pulsos de tomografia e a geração dos dados necessários à reconstrução (amplitudes espectrais); construção de estados utilizando pulsos simples para testes das circunstâncias experimentais; o efeitos de possíveis problemas relacionados à amostra ou ao equipamento. Finalmente, foi elaborado um programa para reconstrução do estado a partir da leitura das amplitudes espectrais, que podem ser obtidas a partir dos programas relacionados no segundo item, ou experimentalmente. As implementações experimentais foram realizadas medindo sinais de RMN de núcleos de 133Cs, localizados em um cristal líquido, que, por possuírem spin 7/2, devido às interações Zeeman e quadrupolar elétrica, apresentam sete linhas espectrais distintas para transições entre níveis energéticos adjacentes; logo, é possível tratar esses núcleos como sistemas de 3 q-bits. Foram construídos estados pseudo-puros e aplicada uma das portas Toffoli. Além disso, uma discussão do algoritmo quântico de busca de Grover no contexto da Ressonância Magnética Nuclear é apresentada para uma futura implementação. / This work describes a quantum state tomography method in nuclear magnetic resonance using nonselective radiofrequency pulses that cause global rotations of spin 7/2 systems. This method was applied to tomograph states related to quantum computation. Numerically optimized modulated pulses allowed building the initial states and the logical operations involved in the quantum operations; particularly, the optimization process was not treated in this work. Several programs were constructed that simulate: o the construction of the quantum states and the logical operations by means of the modulated pulses parameters; o the application of the tomography pulses and the generation of the necessary data for tomography (spectral amplitudes); o the construction of the states using simple pulses for experimental condition tests; o the effects of possible problems related to the samples or equipments. Finally, a quantum state tomography program was elaborated to read the spectral amplitudes, which can be obtained from the programs related to the second item, or experimentally. The experimental implementations were performed measuring the NMR signals from spin 7/2 133Cs nuclei located in a liquid crystal under Zeeman and quadrupolar electric interactions. The NMR spectrum of these nuclei, under these interactions and located in an oriented sample, present 7 spectral lines for transitions between adjacent energetic levels; with this, it is possible to treat it like a 3 q-bits system. Pseudo-pure states were constructed and one Toffoli gate was applied. Furthermore, a discussion about the Grover\'s quantum search algorithm in the nuclear magnetic resonance context was presented for future implementation.

No presente trabalho, buscou-se generalizar o Stern-Gerlach óptico para o caso de duas cavidades, as quais possuem eixos ópticos perpendiculares entre si. Nesse experimento, um pacote atomico de dois níveis incide em uma pequena fração do volume ocupado por dois modos, na região onde os nodos das ondas estacionárias de cada modo se superpõem. Diferentemente do Stern-Gerlach óptico de cavidade única, além do intercâmbio de fótons efetuado entre o átomo e cada modo separadamente, também ocorre interação modo-modo, mediada indiretamente pelo átomo. Esse fator contribui efetivamente na caracterização da distribuição de momento do átomo. Espera-se que os desvios de trajetória sofridos pelo átomo, decorrentes de sua interação simultânea com dois modos idênticos do campo de radiação, devam ser observados no plano definido pelas duas cavidades. O estudo é efetuado considerando-se o tratamento clássico da posição do centro de massa atômico, que está associado à sua direção de incidência. Além do que, considera-se a aproximação de Raman-Nath, na qual despreza-se a variação da energia cinética transversal ao movimento atômico, durante a interação átomo-modos. Verifica-se que a análise da distribuição de momento atômico transversal permite acessar a estatística de fótons dos modos das cavidades. Este resultado viabiliza a realização da tomografia dos estados de dois modos por meio da medida da distribuição de momento bidimensional dos átomos. Por fim, através da utilização de estados coerentes na configuração de cavidades cruzadas, investiga-se as possibilidades do controle da direção de deflexão do átomo para aplicações em litografia puramente quântica. / This work deals with the generalization of the optical Stern-Gerlach effect for two cavities whose optical axes are perpendicular to each other. An atomic wave of a two-level atom is focused on a small fraction of the volume occupied by the two modes, in the region where the standing waves nodes overlap. Unlike the optical Stern-Gerlach of single cavity, besides the separate photon exchange between an atom and each mode, there also occurs mode-mode interaction indirectly mediated by the atom. This fact contributes towards the characterization of the atomic momentum distribution. Trajectory deviations suffered by the atom due to its simultaneous interaction with the two identical modes of the radiation field are expected in the plane defined by the two cavities. The study is carried out considering the classical treatment of the atomic center of mass position, which is associated with its incidence direction. The Raman-Nath approximation, which neglects the variation in the kinetic energy transversal to the atomic motion during the interaction atom-modes is considered. The analysis of the transversal momentum distribution of the atom allows accessing the photon statistics of the cavities modes. This result enables the realization of the two-mode states tomography via measurement of the two-dimensional momentum distribution of the atom. Finally, by using coherent states of the crossed cavities configuration, the study investigates the possibilities of controlling the atomic deflection direction for applications to quantum lithography.

O objetivo principal da presente Tese é expor um método de Tomografia de Estado Quântico desenvolvido para ser aplicado em sistemas de núcleos quadrupolares isolados. O espaço de Hilbert de tais sistemas pode ser usado para processar a informação quântica de um sistema equivalente constituído por vários q-bits. O método proposto baseia-se na aplicação de pulsos de radiofrqüência não-seletivos que possuem a propriedade de promover rotações globais do estado quântico do sistema. Utilizando uma descrição analítica dessas rotações foi possível generalizar o método proposto para núcleos quadrupolares com qualquer número quântico de spin. O método também pode ser adaptado para sistemas de núcleos acoplados, embora para esses casos seja necessário utilizar períodos de evolução sob a hamiltoniana de interação livre para determinar alguns dos elementos da correspondente matriz densidade. Como aplicação do método de Tomografia de Estado Quântico, utilizaram-se núcleos de 23Na dissolvidos em um cristal líquido liotrópico para obter os resultados experimentais das implementações do algoritmo de Deutsch e do algoritmo de busca de Grover, além da medida da dinâmica de relaxação de vários estados pseudo-puros. Também foram realizadas simulações do método proposto para o caso de um sistema quadrupolar de spin 7/2 e para três spins 1/2 homonucleares acoplados. / The main purpose of the present thesis is to propose a Quantum State Tomography method developed to be applied in quadrupolar isolated nuclei systems. The Hilbert space of such systems can be used to process the quantum information of an equivalent system formed by many qubits. The proposed method is based on the application of non-selective radiofrequency pulses that produce global rotations of the system quantum state. Using an analytical description of those rotations, it was possible to generalize the proposed method to quadrupolar nuclei with any spin quantum number. The method can also be adapted to coupled nuclear systems, although in such cases it is necessary the use of evolution periods under the free interaction hamiltonian in order to determine some of the density matrix elements. As an application of the method, 23Na nuclei dissolved in a lyotropic liquid crystal were used to obtain the experimental results of the Deutsch and Grover algorithms, together with the measurement of the relaxation dynamics of some pseudo-pure states. Simulations of the proposed method applied to the quadrupolar spin 7/2 nucleus and to three homonuclear coupled spin 1/2 were also obtained.

O objetivo principal da presente Tese é expor um método de Tomografia de Estado Quântico desenvolvido para ser aplicado em sistemas de núcleos quadrupolares isolados. O espaço de Hilbert de tais sistemas pode ser usado para processar a informação quântica de um sistema equivalente constituído por vários q-bits. O método proposto baseia-se na aplicação de pulsos de radiofrqüência não-seletivos que possuem a propriedade de promover rotações globais do estado quântico do sistema. Utilizando uma descrição analítica dessas rotações foi possível generalizar o método proposto para núcleos quadrupolares com qualquer número quântico de spin. O método também pode ser adaptado para sistemas de núcleos acoplados, embora para esses casos seja necessário utilizar períodos de evolução sob a hamiltoniana de interação livre para determinar alguns dos elementos da correspondente matriz densidade. Como aplicação do método de Tomografia de Estado Quântico, utilizaram-se núcleos de 23Na dissolvidos em um cristal líquido liotrópico para obter os resultados experimentais das implementações do algoritmo de Deutsch e do algoritmo de busca de Grover, além da medida da dinâmica de relaxação de vários estados pseudo-puros. Também foram realizadas simulações do método proposto para o caso de um sistema quadrupolar de spin 7/2 e para três spins 1/2 homonucleares acoplados. / The main purpose of the present thesis is to propose a Quantum State Tomography method developed to be applied in quadrupolar isolated nuclei systems. The Hilbert space of such systems can be used to process the quantum information of an equivalent system formed by many qubits. The proposed method is based on the application of non-selective radiofrequency pulses that produce global rotations of the system quantum state. Using an analytical description of those rotations, it was possible to generalize the proposed method to quadrupolar nuclei with any spin quantum number. The method can also be adapted to coupled nuclear systems, although in such cases it is necessary the use of evolution periods under the free interaction hamiltonian in order to determine some of the density matrix elements. As an application of the method, 23Na nuclei dissolved in a lyotropic liquid crystal were used to obtain the experimental results of the Deutsch and Grover algorithms, together with the measurement of the relaxation dynamics of some pseudo-pure states. Simulations of the proposed method applied to the quadrupolar spin 7/2 nucleus and to three homonuclear coupled spin 1/2 were also obtained.