En esta tesis estudiaremos diversos aspectos del entrelazamiento entre diferentes particiones de sistemas de muchos cuerpos, tanto para el estado fundamental como para estados térmicos. Consideraremos en general aquellos sistemas definidos por Hamiltonianos cuadráticos en operadores locales y en particular el caso de redes de espines. Con este fin se desarrollará en primer lugar una generalización de la aproximación denominada CSPA de la función de partición de sistemas cuánticos compuestos, así como del formalismo RPA, al que se reduce el primero en situaciones donde el sistema admite soluciones de campo medio estables. A partir de la función de partición aproximada se estimará la concurrencia de pares para redes de espines 1/2 invariantes ante translaciones. Se mostrará también que en redes de espín 1/2 invariantes traslacionales la función de partición en la aproximación RPA puede evaluarse en forma analítica. En segundo lugar se presentará un mapeo bosónico consistente con RPA, que nos permitirá mapear el estado fundamental de un sistema general a un estado en el sistema de bosones que en primera aproximación pertenece a la clase de los estados Gaussianos. Esto nos permitirá estimar el entrelazamiento entre cualquier par de partes del sistema original en términos del entrelazamiento en estados Gaussianos, que puede ser evaluado exactamente. Luego se mostrarán resultados concretos en redes generales de espín s invariantes ante transformaciones de “paridad de espín z”. Veremos además como este tratamiento nos permite determinar las condiciones exactas para la existencia de un campo factorizante del sistema, esto es, configuraciones particulares del campo magnético externo para las que el sistema admite un (o en general varios) estado(s) fundamental(es) completamente separables. En los ejemplos estudiados, mostraremos cómo en el caso en que estos estados presenten ruptura espontánea de simetría el sistema desarrolla correlaciones cuánticas de largo alcance en la vecindad de ese punto, independientemente del alcance de las interacciones entre las partes. Finalmente se analizará en detalle el comportamiento exacto del sistema en esas condiciones. / In this work we will study several aspects of the entanglement of different partitions of a many body system, both for the ground state as well as for the thermal equilibrium states. We will consider in general those defined by Hamiltonians which are quadratic in local observables and in particular, the case of spin arrays. With this aim, we will first develop a generalization of the CSPA method for evaluating the partition function of a general composite quantum system, as well as of the RPA formalism, to which reduces the former in situations where the system admits stable mean field solutions. From these approximations to the partition function, the pairwise entanglement in spin 1/2 translational-invariant arrays will be estimated. We will also show that in this kind of systems the RPA partition function can be evaluated in a fully analytical way. Secondly, we will show a bosonic map consistent with RPA, which allows us to map the ground state of a general composite quantum system to a boson state which, in first approximation, belongs to the class of Gaussian states. This allows us to estimate the entanglement between any pair of parts of the original system in terms of the entanglement of Gaussian-states, which can be evaluated exactly. Later we will show explicit results for general, “Z Spin-Parity” invariant spin s arrays. We will also see that this treatment allows us to determine the exact conditions for the existence of a factorizing field in the system, i.e., particular configurations of the external magnetic field for which the system admits a (in general, several) fully separable ground state(s). In the analyzed examples, we show how the system develops, when these states present a spontaneous breaking of a Hamiltonian symmetry, long range quantum correlations in its immediate vicinity, independently of the interaction range. Finally, we will discuss in detail the exact behavior of the system in these conditions.

Las base de las tecnologías cuánticas que se proponen hoy en día se basan en la característica de superposición de estados, la cual se presenta como un fenómeno de interferencia, y que da lugar a lo que se conoce como coherencia; no obstante al estar un sistema en contacto con un entorno se produce el fenómeno de decoherencia, lo que conlleva a una pérdida de la información que se quería almacenar, es decir las coherencias, no obstante existen procesos en los que se pueden recuperar la información, estos procesos son llamados no-markovianos. En el presente trabajo hacemos un estudio sobre un sistema cuántico con una dinámica específica, llamada "Dephasing Channel", se usa una medida de coherencia para asegurarnos que trabajamos con un proceso no-markoviano y armamos un arreglo óptico en donde la mencionada dinámica está plasmada en el espacio de Hilbert de caminos. Para la realización de las medidas del experimento, encontramos un método análogo a los parámetros de Stokes en polarización, pero en la base de caminos. / The basis of the quantum technologies that are proposed nowadays are based on the characteristic of superposition of the quantum states, which is presented as an interference phenomenon, and which gives rise to what is known as coherence; however, when a system is in contact with an environment, the phenomenon of decoherence occurs, which leads to a loss of the information that was wanted to be stored, that is the coherence, however, there are processes in which information can be retrieved, these processes are called non-Markovians. In the present work, we make a study about a quantum system with a specific dynamics, called "Dephasing Channel", we use a measure of coherence to make sure that we work with a non-Markovian process and we assembled an optical arrangement where the aforementioned dynamics are embodied in the Hilbert space of paths. For the realization of the measurements of the experiment, we find a method analogous to Stokes parameters in polarization, but at the base of roads.

Este trabajo contiene dos contribuciones al campo de la teoría cuántica. La primera viene por doble partida: un protocolo óptico para producir y realizar tomografía de estados puros, arbitrarios, de dos qubits codificados en grados de libertad de camino y polarización; y un protocolo generalizado para hacer tomografía de estados mixtos del mismo tipo. Se reporta una realización con luz láser del primer esquema, la cual sirve como prueba de concepto. La segunda contribución es un modelo dentro del paradigma de von Neumann para las mediciones. Su utilidad yace en que permite estudiar el efecto de la fuerza del acoplamiento entre sistema y puntero sobre la incertidumbre estadística y los errores sistemáticos que resultan de medir valores débiles cuánticos y estados puros. Esta propuesta –cuya implementación con luz láser o con fotones individuales es también explicada– fue demostrada usando sistemas de computación cuántica provistos por IBM. Los resultados obtenidos mediante mediciones con distintos grados de fuerza disipan la idea de que las mediciones fuertes siempre dan mejores resultados que sus contrapartes débiles. Quizá más importante todavía, esta realización experimental aporta evidencia de que es posible maximizar la precisión y exactitud de los parámetros medidos si se elige adecuadamente el acoplamiento de la medición. / This work consists of two contributions to the broader field of quantum theory. The first contribution is twofold: an all-optical protocol for producing and measuring arbitrary, pure, two-qubit states that are encoded in path and polarization degrees of freedom; and a generalized protocol for characterizing mixed states of the same kind. A laser light realization of the former scheme is reported, which serves as a proof of principle. The second contribution concerns a model within the von Neumann measurement paradigm. Its usefulness lies in that it enables the study of what effects system-pointer coupling strength has on the statistical uncertainty and systematic errors arising from the measurement of quantum weak values and pure states. This proposal–whose implementation with laser light or individual photons is also explained–was demonstrated in IBM’s quantum computing systems. The results obtained in a range of measurement strengths dispel the notion that strong measurements always perform better than their weaker counterparts. Perhaps more importantly, this experimental realization provides evidence that it is possible to maximize the precision and accuracy of the measured parameters with a properly chosen coupling.

En este trabajo se investiga la noción de imparcialidad mutua para mediciones de grano grueso en sistemas cuánticos con variables continuas. Se muestra que mientras que el procedimiento estándar de granulación gruesa rompe la imparcialidad mutua entre variables conjugadas, dicha imparcialidad puede, en cambio, establecerse teóricamente y observarse experimental- mente con granulación gruesa periódica. Se exhiben los resultados predichos mediante un experimento óptico que implementa la difracción de Fraunhofer a través de una red de difracción periódica, encontrándose excelente acuerdo con la teoría. Nuestros resultados representan un avance importante en el desarrollo de una conexión formal entre la mecánica cuántica de variable discreta y la de variable continua.

Las fases geométricas son tema de investigación actual en diversas áreas de la física. Interesa investigarlas tanto por razones de carácter teórico, cuanto por razones ligadas a sus aplicaciones. Entre estas últimas resaltan las aplicaciones en información cuántica. Un computador cuántico está basado en la posibilidad de generar, almacenar y manipular bits de información codificados en los grados de libertad de sistemas cuánticos. Estos son llamados qubits. Los qubits son superposiciones coherentes de dos estados fundamentales. Mientras su contraparte clásica puede valer 0 o 1 excluyentemente, el qubit puede tomar ambos valores 0 y 1 simultáneamente. Esto hace posible procesar información con mucha mayor rapidez en comparación a una computadora clásica. El problema central con los qubits es que son sumamente frágiles, de modo que su tiempo de vida media es muy pequeño. El fenómeno que lleva a un estado de superposición hacia un estado clásico se llama decoherencia. Para que un computador cuántico sea viable, es necesario contar con qubits cuya vida media sea mayor que el tiempo que toma realizar operaciones sobre ellos (computación). Una ruta muy promisoria es la que se basa en las fases geométricas. Ellas permiten realizar operaciones que, de un lado, pueden ser muy rápidas y, de otro lado, pueden ser inmunes o muy robustas frente a la decoherencia. Para implementar computación cuántica geométrica, es entonces necesario ser capaz de manipular fases geométricas con gran versatilidad. Contribuyendo a este ín, esta tesis presenta nuevos resultados en la manipulación de fases geométricas que aparecen cuando el qubit está codificado en fotones polarizados. Esta tesis contiene dos partes principales. En la primera parte hacemos un intento preliminar en manipular fases en estados de polarización. Específicamente, tratamos a la fase de Pancharatnam (fase total) que resulta de evoluciones unitarias arbitrarias. Discutimos los aspectos teóricos involucrados y mostramos en detalle como hacer que un estado de polarización siga cualquier curva sobre la esfera de Poincaré. Luego presentamos los métodos utilizados para llevar a cabo las mediciones de la fase total acumulada a lo largo de la evolución del estado. En la segunda parte de esta tesis, extendemos nuestros métodos y desarrollamos técnicas para suprimir localmente las fases dinámicas que puedan aparecer durante la evolución del estado de polarización. Esto nos permite observar y medir fases geométricas. Usando métodos similares a los discutidos en la primera parte, mostramos finalmente que las fases geométricas observadas experimentalmente coinciden con las predicciones teóricas con buena aproximación.

El control del Momento Angular Orbital (OAM por sus siglas en inglés) de la luz en sistemas óptico cuánticos puede proveernos de un grado adicional de libertad, lo cual nos puede permitir muchas aplicaciones en mecánica cuántica y tecnologías de la comunicación que tengan como eje central la óptica en su desarrollo. Luz laser con OAM, vórtices ópticos, son generalmente descritos por modos de Laguerre-Gausianos, los cuales tienen una distribución de intensidad tipo dona, con singularidades de fase en su frente de onda. En este caso particular los modos son de primer orden y la esfera de Poincaré da una conveniente representación geométrica para el subespacio expandido por esta base. Continuando la propuesta teórica hecha por B. Coutinho dos Santos et al. en 2007, en este proyecto estamos interesados en estudiar de forma experimental la dinámica de un Oscilador Paramétrico Óptico (OPO) bajo la inyección de un haz con OAM. El objetivo principal es caracterizar la conservación de OAM en los haces gemelos, nombrados "signal" y "idler" por razones históricas, provenientes del OPO inyectado, de acuerdo a una simetría no trivial en la esfera de Poincaré. Otro objetivo es el estudio teórico de la dinámica de los haces de luz gemelos, de acuerdo a parámetros experimentales reales del arreglo usado, y de ese modo mejorar la eficiencia en la creación de los fotones gemelos, lo cual permitiría el estudio experimental del entrelazamiento cuántico con este aparato. También, en la mira de este trabajo se encuentra, la medición y caracterización del "squeezing" que fue realizada en el recientemente montado OPO de la UFF. / The control of the Orbital Angular Momentum (OAM) of light in quantum optical system can provide an additional degree of freedom, that can enable many applications in quantum mechanics and optical communications. Lasers beams with OAM (optical vortices) are generally described by Laguerre-Gaussian modes, which have a doughnut intensity distribution with phase singularities in the wavefront. In the special case of first order OAM modes, the Poincaré sphere gives a convenient geometrical representation of those optical vortices. Following the theoretical proposal done by B.Coutinho dos Santos et. al in 2007, in this project we are interested in studying experimentally the dynamics of an Optical Parametric Oscillator under the injection of a seed beam with OAM. The main aim of this project is to characterize the OAM conservation in the twin beams, namely signal and idler, coming from the injected Optical Parametric Oscillator, according to the symmetry in the Poincaré sphere. We aim also at studying theoretically the dynamics of the twin beams generated, according to the real experimental parameters of the setup, to improve the twin beams creation efficiency, which will enable us to study experimentally quantum entanglement in this apparatus. Also, in the scope of this work, the measurements and characterization of squeezing was performed in the recent mounted OPO at UFF.

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El entrelazamiento puede abordarse desde dos perspectivas diferentes: como un recurso esencial para las tecnologías cuánticas y como un fenómeno fundamental que está íntimamente relacionado con nuestra comprensión de la naturaleza misma. Por otro lado, la teoría cuántica se formula en el marco teórico de los espacios de Hilbert, para los que el entrelazamiento juega un papel importante en la determinación de su geometría y topología. Las características topológicas que puedan exhibirse al utilizar estados entrelazados son largamente independientes de la realización física particular del entrelazamiento: puede afectar a un solo grado de libertad poseído por dos partículas diferentes, o bien puede implicar dos grados diferentes de libertad que se cohesionan a una misma partícula o entidad física, por ejemplo, un campo electromagnético. Resulta que la manipulación de los grados de libertad de polarización y momentum (camino) ya sea de forma independiente el uno del otro o mediante la aplicación de evoluciones unitarias no separables es muy versátil. Con esto en mente, la presente tesis apunta hacia el diseño e implementación de arreglos experimentales que se pueden utilizar para estudiar fases geométricas y topológicas en sistemas de dos qubits mediante el uso de los grados de libertad de momentum (camino) y polarización de un solo fotón. Finalmente mostramos el diseño de un experimento, apuntado a exhibir la fase topológica, y los resultados obtenidos. / Tesis

Se estudia un modelo tipo Ising tomando en cuenta las interacciones de corto y largo alcance, así mismo como el posible efecto de la superficie del sistema y la forma del mismo sobre las propiedades magnéticas del material. Esto se realiza para investigar el comportamiento de los sistemas compuestos por nanopartículas ordenadas en una matriz. Ademas se analiza el papel que juega la relación entre numero de partículas en la superficie con las que se encuentran en el volumen de la matriz con respecto al comportamiento de histeresis del sistema. / An Ising model is studied, taking into account short and long range interactions, as well as the possible effect of the system surface and its shape on the magnetic properties of the material. This is done to investigate the behavior of systems composed of nanoparticles ordered in a matrix. In addition, the role of the relationship between the number of particles on the surface and those in the volume of the matrix with respect to the behavior of system hysteresis is analyzed. / Tesis