Num primeiro momento, abordamos neste trabalho as correlações Eistein-Podolsky-Rosen quando simuladas no âmbito da teoria clássica da radiação. Pretendemos com isso investigar o fenômeno da polarização da luz em um e outro domínios da sua descrição. Continuando em teoria da medida, através de uma implementação no modelo de colapso da função de onda proposto por Zurek, onde se observa a reversibilidade da coerência de fase, apresentamos expressões para os tempos de decoerência e recorrência associados. Outro tópico considerado diz respeito ao hamiltoniano quadrático dependente do tempo. Procedendo-se a uma transformação unitária associada ao método dos invariantes desenvolvido por Lewis e Riesenfeld, solucionamos a equação de Schrödinger e apresentamos o operador de evolução. Uma análise dos estados \"squeezed\" da radiação é apresentada segundo trajetórias no espaço de fase. A consideração do método empregado, segundo algumas aproximações, possibilita a abordagem do processo de dissipação/flutuação junto ao hamiltoniano original, numa análise mais realista do que compreende um amplo espectro de modelos físicos, tais como o oscilador ou partícula carregada em presença de um campo eletromagnético não homogêneo e as armadilhas de Paul. / At the beging, we tackle in this work the Einstein-Podolsky-Rosen correlations when simulated in the radiation classic theory. We attempt in this way to study the light polarization phenomenon in both aproaches of its descriptions. Still in measurement theory, through a wave function Zurek colapse model implementation, where there is observed a phase coherence reversibility, we introduce expression for the associated decoherence and recurrence tymes. Another considered topic deals with the time-dependent quadratic hamiltonian. Carrying out a unitary transformation associated with the invariants method developed by Lewis and Riesenfeld, we solved the Schrödinger equation and we introduced the evolution operator. An squeezed states of radiation analysis is also included in the phases space trajectories. The considerations of the attempted method according to same approximations makes it possible to deal with the processes of dissipation/flutuation in the original hamiltonian, in a more realistic analysis of those physical models, such as the oscillator or charged particle in a non-homogeneous electromagnetic field and in the Paul trap.

Apresentamos um estudo sobre o fenômeno da decoerência durante a evolução temporal de um estado atômico ao interagir com o campo eletromagnético de uma cavidade não ideal. Apresentamos um modelo em que o campo da cavidade esta acoplado a um banho externo e mostramos os efeitos dissipativos que este acoplamento pode gerar na decoerência para um sistema átomo campo. Discutimos as grandezas relevantes para analise da decoerência através de modelos analíticos e numéricos, principalmente entre os acoplamentos átomo campo e campo banho. Sugerimos que o retardamento observado no processo de decoerência seja uma característica geral em sistemas analisáveis como constituídos de três subsistemas acoplados sequencialmente, com propriedades espectrais e acoplamentos suficientemente assimétricos. / We present a study of the phenomenon of decoherence in the time evolution of an atomic state with the electromagnetic field of a non-ideal cavity. We present a model where the cavity field is coupled to an external bath and show the dissipative effects this coupling can generate in the decoherence of the atom field system. We discuss the relevant variables for the analysis of decoherence in terms of analytic and numerical models, especially the atom-field and field-bath couplings. We suggest that the observed hindrance of the decoherence process may be a general property in systems which can be considered as formed by three subsystems coupled sequentially, with spectral properties and sufficiently asymmetric coupling.

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.

Nesta dissertação apresentamos um estudo dos mecanismos de decoerência de sistemas quânticos de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) e os seus efeitos sobre a evolução temporal das medidas de correlação não-clássica. Para tal, apresentaremos inicialmente uma revisão bibliográfica sobre alguns dos diversos quantificadores de discórdia quântica, tais como discórdia entrópica, geométrica e negatividade do caráter quântico. Para descrever os canais de atenuação de fase e de amplitude generalizada, que descrevem a relaxação de sistemas de RMN, utilizamos o formalismo de operações quânticas, através da descrição dos operadores de Kraus. As implementações experimentais foram realizadas a partir de sistemas de 2 q-bits descritos por sistemas de RMN de 2 spins 1/2 acoplados via acoplamento J e sistemas de spins 3/2 sujeitos ao acoplamento quadrupolar. Experimentalmente, observamos o surgimento do fenômeno de congelamento (freezing) da discórdia quântica para o sistema de 2 spins 1/2 e o fenômeno de duplo sudden-change em um sistema de spin 3/2. Além disso, propuzemos um método de medida direta para os elementos da matriz densidade de um sistema de 2 spins 1/2 acoplados via acoplamento J, que permite obter toda a informação necessária para o cálculo dos quantificadores de discórdia sem que seja preciso reconstruir completamente a matriz densidade, ou seja, sem empregar o dispendioso método de tomografia de estado quântico (TEQ). / We present a study of the decoherence processes in Nuclear Magnetic Resonance (NMR) quantum systems and their effects on the temporal evolution of non-classical correlations. For that, we review some quantum discord quantifiers, such as entropic and geometric discord as well as negativity of quantumness. To describe the relaxation of NMR systems, we use Kraus operators phase and generalized amplitude damping channels. The experimental demonstrations were achieved in 2 qubits systems implemented by J coupled spins 1/2 as well as spins 3/2 subject to quadrupolar interaction. We demonstrate the freezing phenomenon of quantum discord in a 2 spins 1/2 system, subject to phase and amplitude damping channel, and the phenomenon of double sudden-change in a spin 3/2 system, subject to amplitude damping channel. Furthermore, for spin 1/2 system, we introduce a method to selectively measure density matrix elements, that provide the necessary information to calculate discord quantifiers, without needing the full reconstruction provided by usual quantum state tomography.

Nesta tese abordamos o problema de transferência e manipulação de informação quântica em sistemas dissipativos. Inicialmente apresentamos uma técnica para construir, dentro de redes bosônicas dissipativas, canais livres de decoerência (CLD): um grupo de modos normais de osciladores com taxas de amortecimento efetivas nulas. Verificamos que os estados protegidos dentro do CLD definem subespaços livres de decoerência (SLD) quando mapeados de volta para a base dos osciladores naturais da rede. Portanto, a nossa técnica para obter canais protegidos formados por modos normais é uma forma alternativa para construir SLD, que oferece vantagens em relação ao método convencional. Nosso protocolo permite o cálculo de todos os estados da rede protegidos de uma só vez, assim como leva naturalmente ao conceito de subespaço quase livre de decoerência (SQLD), dentro do qual um estado de superposição é quase completamente protegido. O conceito de SQLD, é mais fraco do que a dos SLD, pode proporcionar um mecanismo mais manejável para controlar decoerência. Em seguida desenvolvemos um protocolo para transferência quase perfeita de estados de poláriton de um sistema emissor para um receptor, separados espacialmente, ambos acoplados por um canal de transmissão não ideal que é modelado por uma rede de cavidades dissipativas. Esse protocolo consiste no acoplamento dispersivo entre o estado de poláriton preparado no emissor com os modos normais da rede que forma o canal, o que possibilita que o estado tunele para o receptor. Após a obtenção de um Hamiltoniano efetivo para o acoplamento entre o emissor e receptor, calculamos a fidelidade para a transferência de alguns estados de poláriton, por exemplo, estados tipo gato de Schrödinger. Mostramos que as taxas de decaimento da fidelidade são proporcionais a cooperatividade, parâmetro esse que avalia a relação entre a taxa de dissipação e o acoplamento efetivo. Analisamos a dependência da fidelidade e do tempo de transferência em relação à topologia da rede. Por fim, propomos o mecanismo de tunelamento não local para transferência de estados bosônicos e fermiônicos com alta fidelidade. Demonstramos que a incoerência decorrente das não idealidades quânticas do canal é quase totalmente contornada pelo mecanismo de tunelamento que possibilita um processo de transferência de alta fidelidade. Aplicamos esse mecanismo para transferência e processamento de informações entre múltiplos circuitos quântico (CQs) não ideais. Um conjunto de saídas é simultaneamente acoplado ao conjunto correspondente de entradas de outro QC espacialmente separado do primeiro, através de um único canal quântico não ideal. Mostramos que além da transferência de estados, podemos realizar operações logicas entre qubits distantes e gerar uma pletora de estados quânticos emaranhados. / In this thesis we address the problem of transfer and manipulation of quantum information in dissipative systems. First we present a technique to build, within a dissipative bosonic network, decoherence-free channels (DFCs): a group of normal-mode oscillators with null effective damping rates. We verify that the states protected within the DFC define the wellknown decoherence-free subspaces (DFSs) when mapped back into the natural network oscillators. Therefore, our technique to build protected normal-mode channels turns out to be an alternative way to build DFSs, which offers advantages over the conventional method. It enables the computation of all the network-protected states at once, as well as leading naturally to the concept of the decoherence quasi-free subspace (DQFS), inside which a superposition state is quasi-completely protected against decoherence. The concept of the DQFS, weaker than that of the DFS, may provide a more manageable mechanism to control decoherence. Finally, as an application of the DQFSs, we show how to build them for quasi-perfect state transfer in networks of coupled quantum dissipative oscillators. Then we present a scheme for quasi perfect transfer of polariton states from a sender to a spatially separated receiver, both composed of high-quality cavities filled by atomic samples. The sender and the receiver are connected by a nonideal transmission channel the data bus modelled by a network of lossy empty cavities. In particular, we analyze the influence of a large class of data-bus topologies on the fidelity and transfer time of the polariton state. Moreover, we also assume dispersive couplings between the polariton fields and the data-bus normal modes in order to achieve a tunneling-like state transfer. Such a tunneling-transfer mechanism, by which the excitation energy of the polariton effectively does not populate the data-bus cavities, is capable of attenuating appreciably the dissipative effects of the data-bus cavities. After deriving a Hamiltonian for the effective coupling between the sender and the receiver, we show that the decay rate of the fidelity is proportional to a cooperativity parameter that weigh the cost of the dissipation rate against the benefit of the effective coupling strength. The increase of the fidelity of the transfer process can be achieved at the expense of longer transfer times. We also show that the dependence of both the fidelity and the transfer time on the network topology for distinct regimes of parameters. It follows that the data-bus topology can be explored to control the time of the state-transfer process. Finally we propose the nonlocal tunneling mechanism for high-fidelity state transfer between distant parties. We apply this mechanism for highfidelity information transfer and processing between remote multi-branch nonideal quantum circuits (QCs). We show that in addition to the transfer of states, we can perform logic operations between distant qubits and generate a plethora of entangled quantum states.

Realizamos nesse trabalho um tratamento abrangente da interação entre um sistema quântico e o meio ambiente modelado como um conjunto de osciladores harmônicos. Partimos para isso de um tratamento prévio de redes de osciladores harmônicos quânticos dissipativos. Utilizando a função característica, transformamos a equação de von Neumann em uma equação diferencial, e explorando a sua linearidade, essa é transformada em uma equação vetorial, cuja resolução é computacionalmente eficiente. Nosso formalismo, que parte de uma rede de osciladores harmônicos, não necessariamente dividida entre sistema e meio ambiente, permite que se contorne a necessidade da hipótese de acoplamento súbito sistema-reservatório para o tratamento exato da evolução do sistema. Em seguida, mostramos que essa evolução pode ser sempre descrita por uma equação mestra na forma usual de Lindblad, embora os coeficientes que a definem possam ser dependentes do tempo. Isso abre novas possibilidades para a dinâmica do sistema, e leva a efeitos que podem ser classificados de não-Markovianos, embora sejam descritos por uma equação mestra completamente local no tempo. Ressaltamos que, por ser baseado em uma solução exata, o método pode ser aplicado para qualquer intensidade de acoplamento, e é consideravelmente mais simples do que outros métodos disponíveis para esse fim, como os baseados em integrais de trajetória. Por fim, utilizamos simulações computacionais para explorar a validade das aproximações de ondas girantes e de Born-Markov, e os fenômenos que podem ser observados nos regimes em que elas deixam de ser válidas. / We present a comprehensive treatment of the interaction of a quantum system with an environment modeled as a set of harmonic oscillators. We start from a previous treatment of a network of quantum dissipative harmonic oscillators. Using the characteristic function, we transform the von Neumann equation in a differential equation, and exploring its linearity, this is transformed in a vector equation, whose solution is computationally efficient. Our method, whose origin lies on a network not necessarily divided into system and reservoir, allows us to circumvent the necessity of the sudden-coupling approximation for the exact treatment of the system evolution. After this, we show that this dynamics can always be described by a master equation in standard Lindblad form, although its coefficients may be functions of time. This opens new possibilities for the system dynamics, and lead to effects that may be called non-Markovian, even if they are described by a completely local-in-time master equation. It should be emphasized that, as it is based on an exact solution, the method may be applied for any strength of the system-reservoir interaction, and it is considerably simpler than other available methods, such as those based on path integrals. Finally, we employ computer simulations to investigate the validity of the rotating-wave and Born-Markov approximations, and the phenomena that migth be observed in regimes in which they fail to be valid.

Nessa dissertação, abordamos o problema de dois qubits interagindo com campos externos e entre si controladamente, de acordo com um Hamiltoniano considerado realista para implementação da porta lógica quântica XOR. Introduzimos acoplamentos entre as observáveis do sistema de dois qubits e um banho de osciladores harmônicos a fim de tratarmos o problema da dissipação e da decoerência. Primeiramente nós consideramos o limite no qual a decoerência é mais rápida que qualquer processo gerado pelo Hamiltoniano do sistema. Prosseguimos então, através do método numérico conhecido como Integrador Unitário, com o estudo da matriz densidade do sistema durante a operação da porta lógica quântica sem incluir, inicialmente, o acoplamento com o banho de osciladores harmônicos. Finalmente, implementamos o método numérico conhecido como Propagador quase adiabático para estudar a decoerência e a dissipação durante a operação da porta lógica quântica XOR, a fim de analisarmos os aspectos perturbativos do sistema quântico de dois qubits. / In this dissertation, we approach the problem of two qubits interading with themselves and with externa1 fields in a controlled way, according to a Hamiltonian considered realistic to implement the XOR quantum gate. We introduce couplings between the observables of the two-qubits system and of a bath of harmonic oscillators, to treat the problems of dissipation and decoherence. Preliminarly, we consider the limit in which decoherence is faster than any process dictated by the Hamiltonian evolution of the system. Then, through a unitary-integrator numerical method, we proceed with the study of the evolution of the density matrix of the system during the operation of the logical quantum gate, initially, without the coupling with the bath of harmonic oscillators. Finally, we use the quasiadiabatic path integral method to study the dissipation and decoherence during the logical operation, through the inclusion of the bath.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 1995.pdf: 1566210 bytes, checksum: 7c5a0c3ef27c706d0ac9145573694cdf (MD5) Previous issue date: 2008-05-17 / Financiadora de Estudos e Projetos / In this work we first present a protocol to build effective interactions between two cavity modes, considering a two-level atom under the action of classical fields. Bilinear Hamiltonians associated with parametric up- and down-conversion processes are derived, apart from nonlinear interactions associated with the degenerate parametric down-conversion process, resulting in the squeezing operation of a cavity mode. We also demonstrate how to construct nonlinear Hamiltonians related with a Kerr-type process for one or two cavity modes. In particular, we show how to implement, in the bimodal cavity, the Hamiltonian describing a two-specieis Bose-Einstein condensate in the two-mode approximation. Next, considering a two-level ion trapped in a cavity, under the action of classical amplification field, we show how to build an artificial reservoir for the electronic states of the ion. This reservoir is suited to protect nonstationary superpositions of the electronic levels, enabling us to measure the geometric phase acquired by these states under nonadiabatic evolutions of the system. Finally, we show how to construct squeezed reservoirs, either for a cavity mode or two-level atoms, by previously engineering an effective interaction between the atom(s) and the cavity mode which comprehends the simultaneous implementation of the Jaynes-Cummings and anti-Jaynes-Cummings Hamiltonians. / Nesta tese, apresentamos primeiramente um protocolo para a construção de interações efetivas entre dois modos de uma cavidade, através de um átomo de dois níveis sob a ação de campos clássicos. hamiltonianos bilineares associados à processos de conversões paramétricas ascendente e descendente de frequências foram obtidos, bem como hamiltonianos não-lineares associados à compressão paramétrica de um modo da cavidade. Mostramos também como construir hamiltonianos associados a processos não-lineares do tipo Kerr para um ou dois modos da cavidade. Em especial, mostramos como implementar, na cavidade bi-modal, o hamiltoniano que descreve um condensado de Bose-Einstein de duas espécies atômicas na aproximação de dois modos. Em seguida, considerando um íon de dois níveis aprisionado no interior de uma cavidade e submetido à ação de campos clássicos, mostramos como construir um reservatório artificial para os estados eletrônicos do íon. Este reservatório permite a proteção de superposições não estacionárias dos níveis eletrônicos, possibilitando a medida de fases geométricas por elas adquiridas mediante evoluções não adiabáticas do sistema. Por fim, mostramos como construir reservatórios comprimidos tanto para um modo da cavidade como para átomos de dois níveis, mediante a construção prévia de uma interação efetiva entre átomo(s) e modo que compreende a realização simultânea dos hamiltonianos de Jaynes-Cummings e anti-Jaynes-Cummings. Para tanto, recorremos a átomo(s) de três níveis sob a ação de campos clássicos.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2851.pdf: 5105672 bytes, checksum: 2958cef30f5756dd1655364f76753c01 (MD5) Previous issue date: 2010-02-25 / Universidade Federal de Minas Gerais / In this work we treat firstly what we call the double Caldeira-Leggett model, which consists on the approach to the dynamics of two dissipative harmonic oscillators via Feynman-Vernon theory. We derived and solved the associated master equations in two different situations where i) each oscillator is coupled to its own reservoir and ii) both oscillators are coupled to the same reservoir. Finally we analyzed the decoherence process of entangled states prepared in both oscillators. Next, we treat the problem of quasi-perfect state transfer (QPST) in networks of dissipative harmonic oscillators. In this context, we have presented two different protocols for QPST: the first based in the detuning between the frequencies of the emitter and receiver oscillators regarding that of the transmitter oscillators and the second consisting in the use of what we call a decoherence quasi-free subspace (DQFS). To this end, we derived the regime of parameters enabling the emergence of DQFS. In both protocols we verified that QPST processes occur by means of a mechanism, similar to the tunneling effect, i. e., the excitations of the state to be transferred populate only virtually the transmission channel. Finally, regarding quantum open systems, we present the phenomenon that we call spontaneous recoherence of states. Through this phenomenon, we verified that the reservoir only shuffle the information of the system, instead of erasing it. The password to retrieve the original information consists of the knowledge of the initial state itself and its associated pure basis / Neste trabalho tratamos primeiramente o que denominamos modelo duplicado de Caldeira-Leggett, que consiste no tratamento da dinâmica de dois osciladores harmônicos quânticos dissipativos acoplados, via teoria de Feynman-Vernon. Obtivemos e resolvemos as equações mestras associadas em duas diferentes situações, nas quais i) cada oscilador encontra-se acoplado a seu próprio reservatório ou ii) ambos os osciladores acoplam-se ao mesmo reservatório. Por fim, analisamos o processo de decoerência de estados emaranhados preparados nos osciladores. Tratamos, em seguida, do problema da transferência quase-perfeita de estados (TQPE) em redes de osciladores quânticos dissipativos. Apresentamos, neste contexto, dois diferentes protocolos para a TQPE: o primeiro baseado na dessintonia entre as freqüências dos osciladores emissor e receptor com relação àquelas dos osciladores transmissores; o segundo baseado na utilização do que denominamos subespaços quase-livres de decoerência (SQLD). Verificamos que em ambos os protocolos apresentados, o processo de transferência de estados se dá por um mecanismo similar ao efeito túnel, de forma que a excitação do estado a ser transferido ocupa apenas virtualmente o canal de transmissão. Por fim, apresentamos o fenômeno que denominamos recoerência espontânea de estados. Através deste fenômeno, verificamos que o reservatório térmico não apaga a informação do sistema, isto é, seu estado inicial; ele apenas embaralha esta informação. A senha para a recuperação da informação original consiste no conhecimento do estado inicial do sistema e da base pura a ele associada.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseMAP.pdf: 2314051 bytes, checksum: 6d1d182d6bc409b1ef1faea885eb5b40 (MD5) Previous issue date: 2004-07-02 / Universidade Federal de Minas Gerais / In this thesis we studied the coherence and decoherence dynamics of states in a network of dissipative quantum oscillators. The coherence dynamics refers to the swap and recurrence process of states between the oscillators composing the network. These processes become crucial to understand the decoherence dynamics of states in a network of dissipative quantum oscillators. Beyond the weak coupling regime between the oscillators, where the dissipative dynamics is ruled by the usual Liouville operators L`½1;:::;N , associated to each of the ` = 1; :::;N oscillators of the network, we also considered the strong coupling regime. In this regime, the dissipative dynamics is also ruled by cross-decay channels Lm;n½1;:::;N (m 6= n = 1; :::;N) which leads to important consequences to the coherence and decoherence dynamics of quantum states of the network. Considering a network with only two coupled dissipative oscillators, we reproduce in this system the phenomenology of the Eletromagneticaly Induced Transparency or the Dynamical Stark Effect which are typical of the radiation-matter interaction when one of the oscillators is submitted to linear or parametric amplification process, respectively. / Obs.:Devido a restrições dos caracteres especias, verifcar resumo em texto completo para download.Nesta Tese abordamos as dinâmicas de coerência e decoerência de estados em redes de osciladores quânticos dissipativos. Por dinâmica de coerência referí-monos aos processos de transferência e recorrência de estados entre os osciladores da rede, processos estes que se tormam cruciais para a compreensão da dinâmica de decoerência desses estados. Além do regime de acoplamento fraco entre os osciladores, no qual a dinâmica de dissipação é descrita pelos operadores de Liouville usuais, L`½1;:::;N , cada qual associado a um dos ` = 1; :::;N osciladores da rede, consideramos também o regime de acoplamento forte. Neste regime, canais de dissipação mistos, da forma Lmn½1;:::;N (m 6= n = 1; :::;N), participam da dinâmica dissipativa e trazem consequências importantes para as dinâmicas de coerência e decoerência de estados. Tratando-se de uma rede com apenas dois osciladores dissipativos acoplados, reproduzimos neste sistema a fenomenologia da Transparência Eletromagneticamente Induzida ou do efeito Stark Dinâmico típicos da interação radiação-matéria considerando-se que um dos osciladores encontra-se submetido a um processo de amplificação linear ou paramétrico, respectivamente.