The rapidly developing interdisciplinary field of quantum information, which merges quantum and information science, studies non-classical aspects of quantum systems. These studies are motivated by the promise that the non-classicality can be used to solve tasks more efficiently than classical methods would allow. In many quantum informational studies, non-classical behaviour is attributed to the notion of entanglement. In this thesis we use photons to experimentally investigate fundamental questions such as: What happens to the entanglement in a system when it is affected by noise? In our study of noisy entanglement we pursue the challenging task of creating bound entanglement. Bound entangled states are created through an irreversible process that requires entanglement. Once in the bound regime, entanglement cannot be distilled out through local operations assisted by classical communication. We show that it is possible to experimentally produce four-photon bound entangled states and that a violation of a Bell inequality can be achieved. Moreover, we demonstrate an entanglement-unlocking protocol by relaxing the condition of local operations. We also explore the non-classical nature of quantum mechanics in several single-photon experiments. In these experiments, we show the violation of various inequalities that were derived under the assumption of non-contextuality. Using qutrits we construct and demonstrate the simplest possible test that offers a discrepancy between classical and quantum theory. Furthermore, we perform an experiment in the spirit of the Kochen-Specker theorem to illustrate the state-independence of this theorem. Here, we investigate whether or not measurement outcomes exhibit fully contextual correlations. That is, no part of the correlations can be attributed to the non-contextual theory. Our results show that only a small part of the experimental generated correlations are amenable to a non-contextual interpretation. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 3: Submitted. Paper 5: Submitted. Paper 6: Submitted.</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.

Neste trabalho nós apresentamos detalhadamente todo o desenvolvimento experimental realizado em São Carlos para produção e estudo de gases quânticos, visando principalmente à produção do condensado de Bose-Einstein em átomos de Na-23. Para isso projetamos, construímos e integramos todo um complexo sistema experimental que reúne a maioria das técnicas desenvolvidas na área de átomos frios nas últimas décadas: desaceleração de feixes atômicos, aprisionamento magnético e magneto-óptico de átomos neutros, resfriamento sub-Doppler, resfriamento evaporativo induzido por radiofreqüência, manipulação de altos campos magnéticos e o processamento de imagens de amostras próximas do zero absoluto. Com isso realizamos o primeiro e mais importante passo, também o mais difícil, do nosso projeto de estudo de gases quânticos, que foi o desenvolvimento e operacionalização de todo o aparato experimental. Ainda assim, este trabalho não se resume apenas ao desenvolvimento de instrumentação, pois ao longo do caminho também fizemos contribuições cientificas originais e importantes para o desenvolvimento da área de átomos frios, como um todo. Essas contribuições resultaram em várias publicações que estão anexadas no apêndice III, mas não constituem o foco deste trabalho, cujo principal objetivo é o estudo de gases quânticos macroscopicamente degenerados. / We present here all the experimental development obtained in São Carlos to produce and study quantum degenerate gases, aiming specially the realization of Bose-Einstein Condensation (BEC) in sodium (Na-23) atoms. In order to do that we designed, built and completely integrated a complex experimental setup which conjugates most of the techniques developed along the last decades to produce cold atoms: atomic beam slowing, magnetic and magneto-optical trapping, optical sub-Doppler cooling, forced evaporative cooling induced by radio-frequency (RF), controlling of high gradient and curvature magnetic fields for atom trapping and the image acquisition and processing of atomic samples near absolute zero temperatures. During this period we did the first and most important step, also the most difficult, of our current project to study quantum gases, which was the development and realization of all the experimental apparatus. However, this work is not just about instrumentation, and along the way we also did important scientific contributions to the cold atom field, as whole. These contributions resulted in several publications, listed in appendix III, but they do not constitute the focus of this work, which main goal is the study of macroscopically quantum degenerate gases.

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.

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.

Neste trabalho nós apresentamos detalhadamente todo o desenvolvimento experimental realizado em São Carlos para produção e estudo de gases quânticos, visando principalmente à produção do condensado de Bose-Einstein em átomos de Na-23. Para isso projetamos, construímos e integramos todo um complexo sistema experimental que reúne a maioria das técnicas desenvolvidas na área de átomos frios nas últimas décadas: desaceleração de feixes atômicos, aprisionamento magnético e magneto-óptico de átomos neutros, resfriamento sub-Doppler, resfriamento evaporativo induzido por radiofreqüência, manipulação de altos campos magnéticos e o processamento de imagens de amostras próximas do zero absoluto. Com isso realizamos o primeiro e mais importante passo, também o mais difícil, do nosso projeto de estudo de gases quânticos, que foi o desenvolvimento e operacionalização de todo o aparato experimental. Ainda assim, este trabalho não se resume apenas ao desenvolvimento de instrumentação, pois ao longo do caminho também fizemos contribuições cientificas originais e importantes para o desenvolvimento da área de átomos frios, como um todo. Essas contribuições resultaram em várias publicações que estão anexadas no apêndice III, mas não constituem o foco deste trabalho, cujo principal objetivo é o estudo de gases quânticos macroscopicamente degenerados. / We present here all the experimental development obtained in São Carlos to produce and study quantum degenerate gases, aiming specially the realization of Bose-Einstein Condensation (BEC) in sodium (Na-23) atoms. In order to do that we designed, built and completely integrated a complex experimental setup which conjugates most of the techniques developed along the last decades to produce cold atoms: atomic beam slowing, magnetic and magneto-optical trapping, optical sub-Doppler cooling, forced evaporative cooling induced by radio-frequency (RF), controlling of high gradient and curvature magnetic fields for atom trapping and the image acquisition and processing of atomic samples near absolute zero temperatures. During this period we did the first and most important step, also the most difficult, of our current project to study quantum gases, which was the development and realization of all the experimental apparatus. However, this work is not just about instrumentation, and along the way we also did important scientific contributions to the cold atom field, as whole. These contributions resulted in several publications, listed in appendix III, but they do not constitute the focus of this work, which main goal is the study of macroscopically quantum degenerate gases.

Residual dipolar couplings can be used to increase the number of qubits for quantum information processing. We have used molecules containing 3, 5 and 8 spins oriented in a liquid crystal matrix, and exploited the residual dipolar coupling to demonstrate quantum information processing in them. Transition assignment is performed using HET-Z-COSY experiment and qubit addressability is achieved by transition selective pulses. It is expected that using this protocol higher qubits can be achieved. For the implementations reported in this work, evolution under the internal Hamiltonian was not explored. It is however interesting to investigate how effectively the evolution under internal Hamiltonian can be manipulated to implement quantum algorithms in these systems. Recently an approach has been reported in this direction, where a new method of preparing pseudopure states in oriented systems by exciting selected multiple quantum using evolution under effective dipolar Hamiltonian, has been demonstrated [24].

Dans cette thèse, nous mesurons la dynamique cohérente et les corrélations spatiales des excitations Rydberg dans des matrices 2D d’atomes uniques.Nous utilisons un modulateur spatial de lumière pour façonner la phase spatiale d'un faisceau laser de piégeage optique avant de le focaliser avec une lentille asphérique de grande ouverture numérique. En imprimant une phase appropriée sur le faisceau laser, nous pouvons créer des matrices 2D de pièges optiques, de forme arbitraire et facilement reconfigurables, avec jusqu'à 100 pièges séparées de quelques micromètres. Les pièges sont chargés à partir d'un nuage d'atomes froids de 87Rb, et due aux collisions assistées par la lumière, au plus un seul atome peut être présent dans chaque piège en même temps. Une caméra CCD sensible permet en temps réel l'imagerie de la fluorescence atomique émanant des pièges, ce qui nous permet de détecter individuellement la présence d'un atome dans chaque piège avec une précision presque parfaite.Pour créer des interactions importantes entre les atomes uniques, nous les excitons vers des états de Rydberg, qui sont des états électroniques avec un nombre quantique principal élevé.Un faisceau supplémentaire d'adressage permet la manipulation individuelle d'un atome sélectionné dans la matrice.La connaissance précise, de la fois de la matrice des atomes préparé et des positions des excitations Rydberg, nous a permis de mesurer l’augmentation collective de la couplage optique dans le régime de blocage Rydberg, où une seule excitation est partagée de façon symétrique entre tous les atomes de la matrice.Dans le régime où l'interaction ne s’étend que sur quelques sites, nous avons mesuré la dynamique et les corrélations spatiales des excitations Rydberg, dans des matrices d’atomes à une et deux dimensions. La comparaison à une simulation numérique d'un modèle d'Ising quantique d'un système de spin-1/2 montre un accord exceptionnel pour les matrices où l'effet de l'anisotropie de l’interaction Rydberg-Rydberg est faible. Les résultats obtenus démontrent que les atomes Rydberg uniques sont une plate-forme bien adaptée pour la simulation quantique des systèmes de spin. / In this thesis, we measure the coherent dynamics and the pair correlations of Rydberg excitations in two-dimensional arrays of single atoms.We use a spatial light modulator to shape the spatial phase of a single optical dipole trap beam before focusing it with a high numerical-aperture aspheric lens. By imprinting an appropriate phase pattern on the trap beam, we can create arbitrarily shaped and easily reconfigurable 2D arrays of high-quality single-atom traps, with trap-spacings of a few micrometers for up to 100 traps. The traps are loaded from a cloud of cold 87Rb atoms, and due to fast light-assisted collisions of atoms inside the traps, at most one atom can be present in each trap at the same time. A sensitive CCD camera allows the real-time, site-resolved imaging of the atomic fluorescence from the traps, enabling us to detect the presence of an atom in each individual trap with almost perfect accuracy.In order to induce strong, tunable interactions between the atoms in the array, we coherently laser-excite them to Rydberg states, which are electronic states with a high principal quantum number.An additional addressing beam allows the individual manipulation of an atom at a selected site in the array.The precise knowledge of both the prepared atom array and the positions of the Rydberg excitations allowed us to measure the collective enhancement of the optical coupling strength in the regime of full Rydberg blockade, where one single excitation is shared symmetrically among all atoms in the array.In the regime where the strong interaction only extends over a few sites, we measured the dynamics and the spatial pair-correlations of Rydberg excitations, in one- and two-dimensional atom arrays. The comparison to a numerical simulation of a quantum Ising model of a spin-1/2 system shows an exceptional agreement for trap geometries where the effect of the anisotropy of the Rydberg-Rydberg interaction is small. The obtained results demonstrate that single Rydberg atoms are a suitable platform for the quantum simulation of spin systems.