BARBOSA, Daniel Felinto Pires, também é conhecido em citações bibliográficas por: FELINTO, Daniel / Submitted by Pedro Barros (pedro.silvabarros@ufpe.br) on 2018-08-29T19:41:38Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Luis Gustavo Ortiz Gutiérrez.pdf: 7409814 bytes, checksum: 6031bca937dece770fe2133aeff264d4 (MD5) / Approved for entry into archive by Alice Araujo (alice.caraujo@ufpe.br) on 2018-09-10T22:31:15Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Luis Gustavo Ortiz Gutiérrez.pdf: 7409814 bytes, checksum: 6031bca937dece770fe2133aeff264d4 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-10T22:31:15Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Luis Gustavo Ortiz Gutiérrez.pdf: 7409814 bytes, checksum: 6031bca937dece770fe2133aeff264d4 (MD5) Previous issue date: 2017-07-17 / FACEPE / The ability to coherently manipulate quantum systems enables a wide range of applications in the field of quantum information. In this thesis we are going to address two applications of quantum interaction between light and an atomic medium. First, in the case of a single charged atom (ion), we propose a set of logical gates for quantum computation. Second, we use a macroscopic ensemble of neutral atoms as quantum memory for the storage of quantum entanglement to be used in fundamental studies of the process of superradiance. The first part of this thesis is a theoretical work with experimental perspectives. The traditional platform for the development of quantum computing with a chain of ions confined in a Paul trap is based on the model introduced in 1995 by Cirac and Zoller (CZ). In this model the electronic levels describe the qubits and the collective vibrational modes act as mediators between the qubits. In order to help mitigate the problems of scalability, we have proposed a new architecture that is a true reversal of the CZ scheme. Our approach consists in using the internal degrees of freedom of a single ion as a mediator (bus) and harnessing the motion of ions as the unit of quantum information, which leads us to a continuous variables picture of the problem. In addition we developed a toolbox of quantum operations complete enough to achieve computational universality. In the second part of the thesis, we develop a study not only theoretical but also experimental using quantum memories in an atomic ensemble. The idea here is to use a set of atoms to store quantum information over a certain period of time. This stored information is originally packaged in a collective atomic mode, which could subsequently be extracted on demand in a light field, presenting non-classical correlations with a previously detected heralding field. The atomic medium used is a cloud of cold Rubidium atoms obtained from a magnetooptical trap, when the trap is off. The generation of photon pairs, correlated through interaction with the atoms, is done by implementing a "write-read" scheme inspired by the Duan-Lukin-Cirac-Zoller protocol for long-distance quantum communication. A characteristic of the photons that mediate these interactions is that they are narrowband enough to allow a direct study of the temporal shape of their wave packet. Through the analysis and theoretical modeling of this wave packet, we investigate the dynamics of extraction of the quantum information stored in the quantum memory of the atomic ensemble. We report an experimental finding of non-classical characteristics of superradiance by implementing the process not only with a single excitation, but also with two-photon Fock states. Specifically, this work presents the experimental measurement and the theoretical modeling of wave packets in both single-photon and two-photon superradiance regimes. This new step opens the way for the study of interactions between collective quantum memories and light modes in a regime of higher-order components of the electromagnetic field. / A capacidade de manipular coerentemente os sistemas quânticos permite uma ampla gama de aplicações no campo da informação quântica. Nesta tese vamos abordar duas aplicações da interação quântica entre luz e um meio atômico. Primeiro, no caso de um único átomo carregado (íon), propomos um conjunto de portas lógicas para a computação quântica. Em segundo lugar, usamos um ensemble macroscópico de átomos neutros como memória quântica para o armazenamento de emaranhamento quântico a fim de ser usado em estudos fundamentais do processo de superradiância. A primeira parte desta tese é um trabalho teórico com perspectivas experimentais. A plataforma tradicional para o desenvolvimento da computação quântica com uma cadeia de íons aprisionados em uma armadilha de Paul é baseada no modelo introduzido em 1995 por Cirac e Zoller (CZ). Neste modelo os níveis eletrônicos descrevem os qubits e os modos vibracionais coletivos atuam como mediadores entre os qubits. Para ajudar a mitigar os problemas de escalabilidade, temos proposto uma nova arquitetura que é uma verdadeira inversão do esquema CZ. Nossa abordagem consiste em usar os graus de liberdade internos de um único íon como um mediador (bus) e aproveitar o movimento dos íons como a unidade de informação quântica, o que nos leva a um quadro de variáveis contínuas do problema. Além disso, desenvolvemos uma caixa de ferramentas de operações quânticas completa o suficiente para alcançar a universalidade computacional. Na segunda parte da tese, desenvolvemos um estudo não só teórico, mas também experimental usando memórias quânticas em um ensemble atômico. A ideia aqui é usar um conjunto de átomos para armazenar informação quântica durante um certo período de tempo. Esta informação armazenada é originalmente anunciada por um modo atômico coletivo, o qual poderia ser posteriormente extraído ‘a pedido’ em um campo de luz, apresentando correlações não clássicas com um campo ‘anunciante’ previamente detectado. O meio atômico é uma nuvem de átomos frios de Rubídio obtida a partir de uma armadilha magneto-óptica, quando a armadilha está desligada. A geração de pares de fótons, correlacionados através da interação com os átomos, é feita através da implementação de um esquema de “escrita-leitura” inspirado no protocolo Duan-Lukin-Cirac-Zoller para comunicação quântica de longa distância. Uma característica dos fótons que mediam essas interações é que eles são banda estreita o suficiente para permitir um estudo direto da forma temporal de seu pacote de onda. Através da análise e modelagem teórica deste pacote de onda, investigamos a dinâmica de extração da informação quântica armazenada na memória quântica do ensemble atômico. Reportamos um achado experimental das características não-clássicas da superradiância, implementando o processo não apenas com uma única excitação, mas também com estados de Fock de dois fótons. Especificamente, este trabalho apresenta a medição experimental e a modelagem teórica de pacotes de onda em ambos os regimes de superradiância, de um único fóton e dois fótons. Este novo passo abre o caminho para o estudo das interações entre memórias quânticas coletivas e modos de luz em um regime de componentes de mais alta ordem do campo eletromagnético.

O fenômeno da superradiância é caracterizado por um processo de ordenamento das transições dos dipolos atômicos em amostras excitadas, moderadamente densas, decorrente das correlações induzidas entre os átomos desenvolvidas pela radiação coerente emitida pelos próprios átomos. O processo superradiante que é iniciado a partir de uma total desordem em t = 0 atinge um ordenamento máximo em um tempo τ α N-1, gerando um pulso de radiação de intensidade seguindo a lei do sech2 e com pico proporcional à N2, e em seguida os dipolos relaxam para um equilíbrio desordenado. Neste trabalho, tratamos a interação de dois modos de uma cavidade, ωa e ωb, e uma amplificação, com um sistema de N átomos de dois níveis, com frequência de transição atômica ω0 de forma que interaja ressonantemente com ωa e dispersivamente com ωb, responsável pelo acoplamento entre os átomos. Para enterdemos como a lei do sech2 será afetada pela interação direta entre os átomos, utilizamos o método das perturbações via de pequenas rotações não-lineares para obtermos o hamiltoniano efetivo do sistema com uma forma mais explícita da interação dipolar entre os átomos. Por fim, após escrevermos a equação mestra do sistema, utilizamos a aproximação de campo médio e o método dos invariantes de Lewis-Riesenfeld para chegar aos principais aspectos deste fenômeno no sistema. / The superradiant phenomena is characterized by atomic dipoles ordering process in excited samples moderately denses, that occours due to the atomic induced correlations developed not directly but by the coherent radiation emitted by atoms themselves. The superradiant process evolves from a total disorder at t = 0, attain a maximum order in a time τ α N-1 creating a radiation pulse whose intensity follows the sech2 law and its peak is proportional to N2, thereafter the dipoles relax to a disordered equilibrium state. In this essay, we deal with the interaction between two cavity modes ωa and ωb and a classical pump with a system of N two-level atoms, whose atomic transition frequencies ω0. We consider a resonant interaction between atoms and mode ωa and a dispersive coupling of atoms with mode ωb, which couple the atomic sample, and the classical pump. In order to obtain how sech2 law changes, we use the method of nonlinear small rotations to obtain effective Hamiltonian, expliciting dipolar interaction between atoms. Finally, after write the effective master equation, we use the mean-field approximation and Lewis and Riesenfeld method to obtain the mean features of this phenomena to our system.

O fenômeno da superradiância é caracterizado por um processo de ordenamento das transições dos dipolos atômicos em amostras excitadas, moderadamente densas, decorrente das correlações induzidas entre os átomos desenvolvidas pela radiação coerente emitida pelos próprios átomos. O processo superradiante que é iniciado a partir de uma total desordem em t = 0 atinge um ordenamento máximo em um tempo τ α N-1, gerando um pulso de radiação de intensidade seguindo a lei do sech2 e com pico proporcional à N2, e em seguida os dipolos relaxam para um equilíbrio desordenado. Neste trabalho, tratamos a interação de dois modos de uma cavidade, ωa e ωb, e uma amplificação, com um sistema de N átomos de dois níveis, com frequência de transição atômica ω0 de forma que interaja ressonantemente com ωa e dispersivamente com ωb, responsável pelo acoplamento entre os átomos. Para enterdemos como a lei do sech2 será afetada pela interação direta entre os átomos, utilizamos o método das perturbações via de pequenas rotações não-lineares para obtermos o hamiltoniano efetivo do sistema com uma forma mais explícita da interação dipolar entre os átomos. Por fim, após escrevermos a equação mestra do sistema, utilizamos a aproximação de campo médio e o método dos invariantes de Lewis-Riesenfeld para chegar aos principais aspectos deste fenômeno no sistema. / The superradiant phenomena is characterized by atomic dipoles ordering process in excited samples moderately denses, that occours due to the atomic induced correlations developed not directly but by the coherent radiation emitted by atoms themselves. The superradiant process evolves from a total disorder at t = 0, attain a maximum order in a time τ α N-1 creating a radiation pulse whose intensity follows the sech2 law and its peak is proportional to N2, thereafter the dipoles relax to a disordered equilibrium state. In this essay, we deal with the interaction between two cavity modes ωa and ωb and a classical pump with a system of N two-level atoms, whose atomic transition frequencies ω0. We consider a resonant interaction between atoms and mode ωa and a dispersive coupling of atoms with mode ωb, which couple the atomic sample, and the classical pump. In order to obtain how sech2 law changes, we use the method of nonlinear small rotations to obtain effective Hamiltonian, expliciting dipolar interaction between atoms. Finally, after write the effective master equation, we use the mean-field approximation and Lewis and Riesenfeld method to obtain the mean features of this phenomena to our system.

Submitted by Danielle Karla Martins Silva (danielle.martins@ufpe.br) on 2015-03-12T15:00:27Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TESE Milrian da Silva Mendes.pdf: 9715367 bytes, checksum: d2f422f9ea59e0b5381776bcfc1de025 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-12T15:00:27Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TESE Milrian da Silva Mendes.pdf: 9715367 bytes, checksum: d2f422f9ea59e0b5381776bcfc1de025 (MD5) Previous issue date: 2013 / Nesta tese estudamos o mecanismo de extração da informação armazenada em uma memória quântica constituída de um ensemble de átomos de césio aprisionados e resfriados em uma armadilha magneto-ótica. Consideramos memórias contendo uma única excitação de um estado atômico coletivo, mapeada em um único fóton durante o processo de leitura. Os processos de geração, deteção, e caracterização dos fótons no sistema experimental são detalhados. Observamos correlações não clássicas entre os campos óticos gerados no sistema. Resultados são obtidos na presença e na ausência dos campos magnéticos da armadilha. Além disso, apresentamos uma teoria para o pacote de onda do fóton extraído, conduzindo a uma expressão analítica que depende dos parâmetros principais do problema. Comparamos a teoria com uma série de situações experimentais e um acordo quantitativo satisfatório é obtido. Desta forma, estudamos sistematicamente a saturação e o espectro do processo de leitura, elucidando ainda o papel da superradiância no sistema. Utilizando uma alta profundidade ótica, observamos a formação da condição de transparência eletromagneticamente induzida no meio através do desaparecimento de uma estrutura característica no espectro de leitura. Tal estrutura é representada pela diminuição da probabilidade de extração do fóton em torno da ressonância, desaparecendo para altas potências de leitura. Estudamos ainda o comportamento da probabilidade condicional de geração de um par de fótons variando a profundidade ótica do meio e, consequentemente, a própria condição de superradiância.

Orientadores: Alberto Vazquez Saa, Amir Ordacgi Caldeira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T18:21:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Richartz_Mauricio_D.pdf: 3399746 bytes, checksum: 3da68926653d0bbb338f76240696b246 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: A Conjectura da Censura Cosmica, proposta por Roger Penrose em 1969, afirma que singularidades resultantes de um colapso gravitacional estão sempre envolvidas pelo horizonte de eventos de um buraco negro. O objetivo desse trabalho é investigar processos de tunelamento quântico que visam violar essa conjectura. Através do formalismo de Newman-Penrose, é feita, inicialmente, uma análise de perturbações escalares, de neutrinos, eletromagneticas e gravitacionais nas métricas de Kerr e de Reissner-Nordstr om. Processos de espalhamento ondulatorio nessas métricas são estudados e coeficientes de transmissão e reflexão para ondas incidentes são calculados nos limites de baixas energias. A partir desses resultados, experimentos imaginários com o intuito de destruir o horizonte de eventos de um buraco negro e expor sua singularidade para um observador externo são propostos e analisados. A superradiância, fenômeno no qual ondas incidentes são amplificadas ao serem refletidas por um potencial espalhador, se manifesta nesses experimentos e, por isso, é tratada com detalhes e de uma forma bastante geral nesse trabalho. Por fim, experimentos que visam detectar a radiação Hawking e o fenômeno da superradiância em modelos análogos de gravitação são analisados. Em particular, um experimento proposto por mim, em colaboração com Silke Weinfurtner, cujo objetivo e investigar a possibilidade de obtenção de superradiância em laboratório, é discutido / Abstract: The Cosmic Censorship Conjecture, proposed by Roger Penrose in 1969, asserts that singularities arising from the gravitational collapse of a body are always encompassed by the event horizon of a black hole. The main purpose of this work is to investigate quantum tunneling processes whose objetive is to violate this conjecture. Using the Newman-Penrose formalism, scalar, neutrino, electromagnetic and gravitational perturbations in both Kerr and Reissner-Nordstr om metrics are analysed. Wave scattering processes in these metrics are studied and transmission and reflection coecients for incident waves are calculated in the limit of small energies. From these results, gedanken experiments with the purpose of destroying the event horizon of a black hole and exposing its inner singularity to an external observer are proposed and analysed. Superradiance, phenomenum in which incident waves are amplified when reflected by a scattering potential, manifests itself in these thought experiments and, therefore, is also treated in detail in this work. Finally, some experiments with the purpose of detecting Hawking radiation and superradiance in analogue models of gravity are analysed. In particular, an experiment proposed by me, in collaboration with Silke Weinfurtner, whose aim is to investigate the possibility of superradiance detection in laboratory, is discussed / Doutorado / Física das Particulas Elementares e Campos / Doutor em Ciências

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.

Esta dissertação visa realizar um estudo acerca dos modelos de mundo brana no contexto proposto por Randall e Sundrum. O trabalho focaliza as perturbações de spin 0 no espaço-tempo de Kerr tomado como um mundo brana 4-dimensional. Para isso apresentamos os principais aspectos da Relatividade Geral de Einstein, bem como perturbações em métricas que descrevem buracos negros. Fizemos uma revisão dos modelos de Randall-Sundrum, suas motivações e tentativas de descrever buracos negros na brana. Por m a perturbação escalar da corda negra em rotação (Kerr-Randall-Sundrum) e o fenômeno de super-radiação são analisados. / This dissertation aims at studying the braneworld models in the context proposed by Randall and Sundrum. The focus is on the spin-0 perturbations in the Kerr space-time as a 4- dimensional braneworld. The work deals the main aspects of Einstein General Relativity as well as perturbations of black holes metrics. We also review the Randall-Sundrum models and their motivations and attempts to describe braneworld black holes. In the end the Kerr-Randall-Sundrum black string scalar perturbation and superradiance are obtained.

Esta dissertação visa realizar um estudo acerca dos modelos de mundo brana no contexto proposto por Randall e Sundrum. O trabalho focaliza as perturbações de spin 0 no espaço-tempo de Kerr tomado como um mundo brana 4-dimensional. Para isso apresentamos os principais aspectos da Relatividade Geral de Einstein, bem como perturbações em métricas que descrevem buracos negros. Fizemos uma revisão dos modelos de Randall-Sundrum, suas motivações e tentativas de descrever buracos negros na brana. Por m a perturbação escalar da corda negra em rotação (Kerr-Randall-Sundrum) e o fenômeno de super-radiação são analisados. / This dissertation aims at studying the braneworld models in the context proposed by Randall and Sundrum. The focus is on the spin-0 perturbations in the Kerr space-time as a 4- dimensional braneworld. The work deals the main aspects of Einstein General Relativity as well as perturbations of black holes metrics. We also review the Randall-Sundrum models and their motivations and attempts to describe braneworld black holes. In the end the Kerr-Randall-Sundrum black string scalar perturbation and superradiance are obtained.

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.