The 20th century saw the first revolution of quantum mechanics, setting the rules for our understanding of light, matter, and their interaction. The 21st century is focused on using these quantum mechanical laws to develop technologies which allows us to solve challenging practical problems. One of the directions is the use quantum devices which promise to surpass the best computers and best known classical algorithms for solving certain tasks. Crucial to the design of realistic devices and technologies is to account for the open nature of quantum systems and to cope with their interactions with the environment. In the first part of this dissertation, we show how to tackle classical optimization problems of interest in the physical sciences within one of these quantum computing paradigms, known as quantum annealing (QA). We present the largest implementation of QA on a biophysical problem (six different experiments with up to 81 superconducting quantum bits). Although the cases presented here can be solved on a classical computer, we present the first implementation of lattice protein folding on a quantum device under the Miyazawa-Jernigan model. This is the first step towards studying optimization problems in biophysics and statistical mechanics using quantum devices. In the second part of this dissertation, we focus on the problem of excitonic energy transfer. We provide an intuitive platform for engineering exciton transfer dynamics and we show that careful consideration of the properties of the environment leads to opportunities to engineer the transfer of an exciton. Since excitons in nanostructures are proposed for use in quantum information processing and artificial photosynthetic designs, our approach paves the way for engineering a wide range of desired exciton dy- namics. Finally, we develop the theory for a two-dimensional electronic spectroscopic technique based on fluorescence (2DFS) and challenge previous theoretical results claiming its equivalence to the two-dimensional photon echo (2DPE) technique which is based on polarization. Experimental realization of this technique confirms our the- oretical predictions. The new technique is more sensitive than 2DPE as a tool for conformational determination of excitonically coupled chromophores and o↵ers the possibility of applying two-dimensional electronic spectroscopy to single-molecules.

In this work the semiclassical hybrid dynamics is extended in order to be capable of treating open quantum systems considering finite baths. The corresponding phenomena, i.e. decoherence and dissipation, are investigated for various scenarios.

The work summarizes basic theory of relaxation, energy transfer and decoher- ence in photosynthetic molecular aggregates described as open quantum systems and basic theory of third order coherent non-linear spectroscopy. The work presents two methods for calculation of photo-induced dynamics of molecular aggregates. The methods relax certain approximations of the theories commonly used to model the relaxation and energy transfer in the molecular systems on the sub-picosecond time scale. The first theory derived in the formalism of para- metric projection operators accounts for correlations in a second-order non-linear response-function that are usually neglected in the formalism of master equations. The second theory represents stochastic model of exact dynamics via the cumulant expansion. The work also presents an analysis of importance of the secular and the Markov approximations in the description of dynamics derived in the second-order perturbation theory in the system-bath coupling with emphasis on the excitonic coherence lifetime.

Cette thèse est consacrée à l'étude mathématique des propriétés de stabilité de systèmes quantiques infinis, décrits par des modèles non linéaires. Dans les chapitres 1 et 2, on étudie l'instabilité du vide relativiste menant au phénomène de création de paires électron-positron. Dans le chapitre 3, on considère la dynamique de ce même vide relativiste couplé à un champ scalaire. Les chapitres 4 et 5 sont consacrés au caractère dispersif de la dynamique non linéaire de Hartree pour des perturbations de la mer de Fermi, et en particulier à sa stabilité orbitale et asymptotique. Enfin, le chapitre 6 introduit une notion générale d'entropie relative entre deux états comportant une infinité de particules. / This thesis is devoted to the mathematical study of stability properties of infinite quantum systems described by nonlinear models. In chapters 1 and 2, we study the instability of the relativistic vacuum leading to the phenomenon of electron-positron pair production. In chapter 3, we consider the dynamics of this same relativistic vacuum coupled to a scalar field. Chapters 4 and 5 are devoted to the dispersive behaviour of the nonlinear Hartree dynamics for perturbations of the Fermi sea, and in particular to its orbital and asymptotic stability. Finally, chapter 6 introduces a general notion of relative entropy between states having infinitely many particles.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:14:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 607405 bytes, checksum: 901b07535dd697c3ac45d2bdfef30f70 (MD5) Previous issue date: 2014-08-08 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this thesis, we study the generalized harmonic oscillator with frequency dependent mass and time and subjected to a friction force whose speed depends on the time, of classical and quantum points of view. Obtained the solutions of the classical equation of motion of this system for some special cases, we derive an equation of motion that describes three systems. Then, with the help of quadratic invariant operators the light of the method of dynamical invariants we find the exact solutions of the Schrodinger equation for this system. We derive the geometric, dynamic and Berry for this system non-stationary phases and we evaluate this phases for three special cases. After this, we construct coherent states for this quantized system and employ them to investigate some properties quantum properties such as quantum uctuations of the coordinate and momentum as well as the product of the uncertainties. We then use a linear invariant operator light of the method of dynamical invariants in the intention of finding exact Schrodinger equation for the damped harmonic oscillator for forced time-dependent solutions. As described in our contribution we built solutions in the form of Gaussian wave packets as well as calculate the quantum uctuations of the coordinates and time, as well as the correlations between them. Finally, we show that the width of the uctuations and correlations of the Gaussian packet does not depend on the external force / Na presente tese, estudamos o oscilador harmônico generalizado com massa e frequência dependentes do tempo e submetido a uma força de fricção linear na velocidade cujo coeficiente de fricção depende do tempo, do ponto de vista clássico e quântico. Obtivemos as soluções da equação de movimento clássica deste sistema para alguns casos particulares e derivamos uma equação de movimento que descreve simultaneamente três sistemas diferentes. Em seguida, com a ajuda dos operadores invariantes quadráticos e à luz do método de invariantes dinâmicos encontramos as soluções exatas da equação de Schrodinger para este sistema. Também derivamos as fases geométrica, dinâmica e de Berry para este sistema não-estacionário e as avaliamos para três casos especiais. Ainda construímos estados coerentes para este sistema quantizado e os empregamos para investigar algumas propriedades quânticas tais como utuações quânticas da coordenada e momento bem como do produto das incertezas. Em seguida, utilizamos um operador invariante linear e usamos o método de invariantes dinâmicos para encontrar soluções exatas da equação de Schrodinger para um oscilador harmônico amortecido e forçado dependente do tempo. Com as soluções desta equação, construímos soluções na forma de pacotes de onda Gaussianos assim como calculamos as utuações quânticas das coordenadas e momentos, bem como as correlações entre ambos. Finalmente, mostramos que a largura das utuações e correlações do pacote Gaussiano não dependem da força externa.

Na primeira parte deste trabalho empregamos a equação estocástica de Itô para obter uma interpretação generazilada de be-ables, que engloba dissipação, decoerência e a transição da dinâmica quântica para clássica. Ao escolher uma fonte de estocasticidade que leva à correção dissipativa da dinâmica hamiltoniana na forma de Lindblad, obtemos uma nova classe de trajetórias que incorpora às trajetórias de Bohm o termo difusivo presente na formulação de Nelson. Utilizando nossa formulação extendida dos be-ables identificamos o processo de decoerência e verificamos que este encontra-se em concordância com o formalismo quântico usual. Na segunda parte deste trabalho analisamos a dinâmica de um sistema quântico sob a competição de dois sistemas multimodais contra-atuantes: um atenuador ou reservatório térmico e um amplificador de Glauber. Mapeamos o comportamento dinâmico deste sistema, identificando diferentes regimes de parâmetros. Calculamos o processo de decoerência emergente da ação dos sistemas multimodais e discutimos aplicações para o nosso sistema. Na terceira parte deste trabalho, usamos a abordagem de campo médio para a obtençãoo da equação mestra que descreve o problema da superradiância sob a ação de flutuações térmicas do reservatório. Desejamos com isso explorar a possibilidade de se verificar o processo de ressonância estocástica no âmbito da superradiância. / In the first part of this work we employ the Itô stochastic equation to extend Bells be-able interpretation of quantum mechanics to encompass dissipation, decoherence and quantum-to-classical transition through quantum trajectories. For a particular choice of the source of stochasticity, the one leading to a dissipative Lindblad type correction to the Hamiltonian dynamics, we verify that the diffusive term in Nelson´s formalism is naturally incorporated into Bohm´s one, rendering a unified Bohm-Nelson theory. Mainly, analyzing the intereference between quantum trajectories, we clearly identify the decoherence time, as estimated from the usual quantum formalism. We also observe the quantum-to-classical transition through the convergence of the infinite possible quantum trajectories to their associated classical counterparts. In the second part of this work we analyze the dynamical behavior of a quantum system under the actions of two counteracting baths: the inevitable energy draining reservoir and, oppositly, an enginereed Glauber amplifier feeding the system excitation. We trace the system dynamics towards equilibrium to mapp its distinct behaviors following from the attenuation × amplification interplay. The decoherence process emerging from the action of both counteracting baths is also computed and, finally, applications of such an attenuation × amplification competition is discussed. Finally, in the third part of this work we employ the mean field approximation to derive the master equation describing the process of superradiant emission under the presence of thermal fluctuation. We envisage to explore the possibility of observe stochastic resonance within the superradiant process.

One of the main goals of the theory of open quantum systems is to devise methods which help preserve the quantum properties of a system interacting with its environment. One possible pathway to achieve this goal is to use non-Markovian reservoirs, characterized by information backflows and revivals of certain quantum properties. These reservoirs usually require advanced engineering techniques, which may turn their implementation impractical. In this dissertation we propose an alternative technique: the injection of a classical colored noise, which induces the desired quantum non-Markovianity. In order to do that, we investigate the dynamics of a quantum system interacting with its surrounding environment and under the injection of a classical stochastic colored noise. A time-local master equation for the system is derived by using the stochastic wave function formalism and functional calculus. Afterwards, the non-Markovianity of the evolution is detected by using the Andersson, Cresser, Hall and Li measure, which is based on the decay rates of the master equation in canonical Lindblad-like form. Finally, we evaluate the measure for three different colored noises and study the interplay between environment and noise pump necessary to induce quantum non-Markovianity, as well as the energy balance of the system. / Um dos objetivos principais da teoria de sistemas quânticos abertos é desenvolver métodos que ajudem a preservar as propriedades quânticas de um sistema interagindo com o ambiente. Um possível caminho para alcançar essa meta é usar reservatórios não-Markovianos, caracterizados por refluxos de informação e renascimento de certas propriedades quânticas. Esses reservatóris geralmente requerem o uso de técnicas avançadas de engenharia, o que pode tornar sua implementação impraticável. Nessa dissertação nós propomos uma técnica alternativa: a injeção de um ruído colorido clássico, o qual induz a desejada não-Markovianidade quântica. De modo a fazer isso, nós investigamos a dinâmica de um sistema quântico interagindo com o ambiente e sob a injeção de um ruído colorido clássico estocástico. Uma equação mestra local no tempo é derivada usando-se do formalismo da função de onda estocástica e de técnicas de cálculo funcional. Após isso, a não-Markovianidade da evolução é detectada através da medida de Andersson, Cresser, Hall e Li, a qual é baseada nos coeficientes da equação mestra na forma de Lindblad-like canônica. Finalmente, nós calculamos a medida para três diferentes ruídos coloridos e estudamos a relação entre o ambiente e o bombeio estocástico necessária para induzir não-Markovianidade quântica, assim como o balanço de energia do sistema.

Orientador: Prof. Dr. Gabriel Teixeira Landi / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, Santo André, 2018. / Em sistemas microscópicos, grandezas como calor e trabalho devem ser tratadas como variáveis aleatórias. Neste trabalho foram estudados os fluxos de calor e de partículas entre dois sistemas unidimensionais fermiônicos A eB, inicialmente preparados separadamente em equilíbrio térmico com reservatórios de calor e partículas preparados a diferentes temperaturas e diferentes potenciais químicos. Calculando a evolução da matriz densidade, foram analisadas as implicações da presença de um ruído de dephasing no sistema, tais como a termalização, a produção de entropia e a evolução da informação mútua como uma forma de analisar a correlação entre os sistemas. Além disso, foi estudado também uma forma do teorema de flutuação do calor no caso onde há fluxo de partículas. / In microscopic systems, heat and work must be treated as random variables. In this work I studied the fluxes of heat and particles between two unidimentional fermionic systems A and B, initially prepared in thermal equilibrium with a reservoir of particles and heat, kept at diferent temperatures and chemical potentials. Computing the evolution of the density matrix, the implications of the presence of a dephasing noise in the system were analyzed, such as thermalization, entropy production and the evolution of mutual information as a way to analyze the correlation between the systems. Moreover, a shape for fluctuation theorems of the heat in the case where there is also a ?ux of particles and its validity was also studied.

Fenômenos que ocorrem a tempos curtos em sistemas quânticos abertos são caracterizados por possuírem um tempo característico de uma ordem muito menor que o tempo de relaxação do sistema. Como exemplos podemos citar o efeito de decoerência, que em resumo tenta explicar como a natureza quântica de um sistema é perdida ao longo da interação com o ambiente e o fenômeno de superradiância, onde estuda-se como alguns sistemas emitem um pulso energético muito rápido gerando um pico de intensidade fino localizado muito antes da relaxação do sistema. O objetivo desse trabalho é não só estudar esses fenômenos mas como apresentar uma técnica alternativa para a quantificação das medidas associadas e de seus tempos característicos. A técnica apresentada se baseia em fazer uma expansão perturbativa no tempo para o operador densidade a partir de uma equação mestra quântica e com seu uso calcular grandezas físicas relevantes a fenômenos que ocorrem a tempos curtos. A simplicidade da técnica e seu uso abrangente são os principais fatores motivadores deste trabalho. / Short-time phenomena in open quantum systems are characterized by having a characteristic time of a much lower order than the relaxation time of the system. As examples we can mention the effect of decoherence, which in summary tries to explain how the quantum nature of a system is lost along the interaction with the environment and the superradiance phenomenon, where is studied how some systems emit a very fast energy pulse generating a peak of fine intensity located long before the relaxation of the system. The aim of this work is not only study these phenomena but to present an alternative technique for quantifying the associated measures and their characteristic times. The presented technique is based on making a perturbative expansion in time for the density operator from a quantum master equation and use it to calculate physical quantities relevant to phenomena occurring at short times. The simplicity of the technique and its widespread use are the main motivating factors of this work.

A transparência eletromagneticamente induzida (EIT) atraiu bastante atenção no campo da física atômica por suas possíveis aplicações em informação quântica. No entanto, processos transientes em condição de EIT não foram tão largamente estudados. Nesse trabalho, investigamos átomos frios de rubídio sob condição de EIT, num estado transiente. Utilizando espectroscopia de correlação de ruído, que é uma técnica mais sensível que uma espectroscopia de intensidade média, investigamos a resposta atômica assimétrica para uma varredura crescente ou decrescente na frequência do feixe de prova do sistema de Lambda-EIT. A observação dessa assimetria, que não podia ser explicada pelas previsões teóricas baseadas nas equações de Bloch para o átomo de 3-níveis, modelo até então utilizado, nos lançou numa busca pelas possíveis causas desse efeito enigmático. Logo, várias hipóteses foram formuladas, acarretando uma larga exploração experimental, incluindo o ângulo entre os feixes de EIT, dessintonia, potência e direção de incidência do rebombeio. Além disso, espectros no domínio do tempo foram estudados, para entender a evolução temporal do sistema para o estado estacionário. Paralelamente ao experimento, desenvolvemos novos modelos teóricos. Nossa mais recente abordagem teórica modela o sistema como um átomo de 5-níveis, nos quais 3 níveis são referentes ao sistema Lambda e os outros dois são os níveis acoplados pelo rebombeio. Ainda mais, consideramos também as forças óticas no sistema. Esse modelo obteve bom acordo com os dados experimentais, para espectroscopia de intensidade média. / The electromagnetic induced transparency (EIT) has attracted a lot of attention since its applications in quantum information were discovered. However, transient dynamics in this context were not as well explored. Here, we present a study of a cold rubidium ensemble under electromagnetic induced transparency (EIT), during a transient interaction. Using noise correlation spectroscopy, which is a more sensitive technique than a mean intensity spectroscopy, we investigated an asymmetric atomic response to an increasing or decreasing frequency scanning of the probe beams in the Lambda-EIT system. The observation of this asymmetry, which could not be explained by the theoretical predictions based on the Bloch equations for 3-level atom, the previously used model, launched us in a search for possible causes of this enigmatic effect. Straightforward, several hypotheses were formulated, resulting in a wide experimental exploration, including parameters as the angle between the EIT beams, detuning, power and direction of incidence of the repump beam. In addition, spectra in the time domain were studied in order to understand the evolution of the system to the steady-state. Parallel to the experiment, we developed new theoretical models. Our latest theoretical approach models the system as an atom of 5-levels in which 3 levels are related to the Lambda system and the other two levels are coupled by the repump. Moreover, we also consider the optical forces in the system. This model has obtained good agreement with the experimental data, for mean intensity spectroscopy.