This thesis details two experimental tests that can be applied to particular quantum states to reveal important information. We begin by discussing the relevant background in quantum information. We introduce qubits and qudits as basic quantum states, and we discuss the evolution and measurement of quantum states. We then discuss quantum state tomography as a means by which to obtain complete information about a state, followed by a discussion of state discrimination as a means by which to determine the state given the promise that it is drawn from some known set. We then discuss relevant experimental techniques in quantum optics, including measurement, generation of entanglement, and generation of single photons from entanglement. The first experiment we discuss deals with the causal structure of a system, which is the description of the origin of correlations between two or more states. The causal structure can be direct-cause, meaning that one state causes the other; common-cause, meaning that both states are caused by another; or hybrid-cause, which is a combination of the two. We perform the first implementation of a new type of tomography to determine the causal structure; this is called causal tomography and functions regardless of whether two qubits are related by a common state, a process, or some combination thereof. We implement a process on two entangled photons so that we can select the exact causal structure that results, which ranges continuously between direct-cause and common-cause structures. Using causal tomography, we recover causal structures that closely match expected results and demonstrate that quantum mechanics provides an advantage in causal inference. The second experiment we discuss deals with the unambiguous discrimination of multiple quantum states. For the first time, we apply the principles of unambiguous state discrimination to high-dimensional systems. Given a state chosen randomly out of d possible states encoded in d dimensions, we implement a procedure for determining which state was chosen; this procedure in theory functions without error. We encode and detect the states in the orbital angular momentum degree of freedom up to dimension d=14. Although no experiment can provide perfectly error-free measurement due to inevitable imperfections, we obtain an error rate below the theoretical error rate of minimum-error state discrimination for dimensions up to d=12. At the time of submission of this thesis, this work has been accepted for publication in Physical Review Letters.

In this thesis, we develop a number of operational tests and tools for benchmarking the quantum nature of optical quantum communication devices. Using the laws of quantum physics, ideal quantum devices can fundamentally outperform their classical counterparts, or even achieve objectives which are classically impossible. Actual devices will not be ideal, but they may still be capable of facilitating quantum communication. Benchmarking tests, based on the presence of entanglement, can be used to verify whether or not imperfect quantum devices offer any advantage over their classical analogs. The general goal in this thesis is to provide strong benchmarking tools which simultaneously require minimal experimental resources but also offer a wide range of applicability. Another major component is the extension of existing qualitative benchmarks (`Is it quantum or classical?') to more quantitative forms (`How quantum is it?'). We provide a number of benchmarking results applicable to two main situations, namely discrete remote state preparation protocols and continuous-variable quantum device testing. The theoretical tools derived throughout this thesis are also applied to the tasks of certifying a remote state preparation experiment and a continuous-variable quantum memory.

In this thesis I present the investigations of matter-light entanglement in cold atomic samples. Particularly, entanglement of mixed species ensembles and bichromatic light fields is proposed and demonstrated experimentally. This approach avoids the use of two interferometrically separate paths for qubits entanglement distribution. I also present the first implementation of multiplexed quantum memory, and experimentally demonstrate entanglement involving arbitrary pairs of elements within this memory array. Finally, quantum interference of electromagnetic fields emitted by remote quantum memory elements separated by 5.5 m is realized.

We look at the problem of verifying optical entanglement for two types of states relevant to quantum information processing. One type occurs in Hong-Ou-Mandel interference and is relevant to quantum computing. The other type is time frequency entanglement which is useful for quantum key distribution. For these types of states the conventional methods of entanglement verification do not work well, and we develop new criteria and methods to verify entanglement of such states. Explicitly, one method takes into account the possible multimode character of two photons, while the other method takes into account the missing data that occur due to the finite range of detectors. This dissertation includes previously published and unpublished co-authored material.

Recentemente, uma quantidade de informação/computação quântica chamada complexidade computacional tem adquirido mais e mais importância no estudo de buracos negros.Resumidamente, complexidade mede a dificuldade de alguma tarefa. No contexto de mecânica quântica (ou mesmo para estados em uma CFT), qualquer estado tem uma complexidade associada, uma vez que o processo de preparar algum estado, usando operações unitárias, é uma tarefa por sí só. Propostas holográficas para o cálculo de complexidade tem sido desenvolvidas nos anos recentes. Há duas delas que estão mais desenvolvidas: as conjecturas complexidade=volume e complexidade=ação. No contexto da correspondência AdS/CFT é sabido que o buraco negro de Schwarzschild em AdS é dual à um estado térmico que descreve duas CFTs emaranhadas. Para esse caso em específico, a conjectura complexidade=volume iguala a complexidade do estado que descreve esse par de CFTs emaranhadas com o volume da máxima superfície de codimensão um no espaço-tempo dual. Por outro lado, a conjectura complexidade=ação iguala a complexidade da borda com a ação gravitacional calculada sobre uma região do espaço-tempo conhecida como Wheeler-DeWitt patch. O objetivo dessa tese é proporcionar os requisitos necessários para entender as conjecturas relacionadas com complexidade, monstrando alguns resultados importantes proporcionados pelos cálculos holográficos no lado gravitacional. / In recent years, a quantity from quantum information/computation called computational complexity has been acquiring more and more importance in the study of black holes. Briefly, complexity measures the hardness of some task. In the context of quantum mechanics (or even for states in a CFT), any state has an associated complexity, once the process of to preparing some state, using unitary operations, is a task by itself. Holographic proposals for the computation of complexity have been developed in recent years. There are two of them that are more developed: the complexity=volume and complexity=action conjectures. In the context of the AdS/CFT correspondence, it is known that the two sided AdS-Schwarzschild black hole is dual to some thermal state that describes two entangled CFTs. For this specific case, the complexity=volume conjecture equates the complexity of the state that describes this pair of entangled CFTs with the volume of the maximal codimension-one surface in the dual space-time. On the other hand, the complexity=action conjecture equates the boundary complexity with the gravitational action evaluated on a region of space-time known as the Wheeler-DeWitt patch. The goal of this thesis is to provide the necessary requisites to understand the conjectures related to complexity, showing some important results provided by holographic computations on the gravitational side.

Nesta tese de doutoramento nós tivemos como principal objetivo desenvolver novos métodos para proteção da informação e computação quântica. Começamos, de forma introdutória, ilustrando os conceitos básicos e fundamentais da teoria da informação e computação quântica, como os bits quânticos (qubits), o operador densidade, o emaranhamento e as operações lógicas quânticas. Na seqüência, apresentamos os formalismos utilizados para tratar sistemas abertos, ou seja, sujeitos a erros, além das principais técnicas existentes a fim de proteger a informação quântica, como os códigos de correção de erros, os subespaços livres de erros e o desacoplamento dinâmico. Finalmente, baseando-nos na técnica de desacoplamento dinâmico, introduzimos um esquema de proteção para operações lógicas quânticas e o emaranhamentos entre qubits utilizando campos de alta freqüência. Ilustramos em detalhes a proteção da operação lógica quântica de Hadamard e do emaranhamento entre dois qubits, além de apresentarmos as principais diferenças e vantagens de nosso método quando comparado às técnicas tradicionais de desacoplamento dinâmico. / The main objective of this thesis is the development of a new procedure for quantum information and computation protection. We begin by briefly illustrating the basic concepts of quantum information and computation theory, such as quantum bits (qubits), density matrix operator, entanglement, and quantum logical operations. Subsequently, we present the formalism utilized to treat quantum open systems, i.e., systems subjected to errors, and the main strategies to protect quantum information, such as quantum error correction codes, decoherence-free subspaces, and dynamical decoupling. Finally, based on the dynamical decoupling strategies, we introduce a procedure to protect quantum logical operations and entanglement utilizing high-frequency continuous fields. We illustrate, in details, the protection of a Hadamard quantum gate and of entanglement between two qubits, and present the differences and advantages of our procedure when compared with traditional techniques of dynamical decoupling.

Desde o surgimento da mecânica quântica no início do século XX, ela vem sendo alvo de diversos estudos e suas característcas fazem com que a mesma seja descrita de forma totalmente diferente da teoria clássica. Com o aprofundamento em suas áreas, surgiram novos conceitos e a compreensão sobre a teoria da informação e computação quântica foi radicalmente mudada devido a uma propriedade básica da mecânica quântica, o emaranhamento. Assim, a popularização da ideia do computador quântico trouxe consigo uma série de pesquisas relacionadas a informação quântica e suas aplicações no mundo real. Nesta dissertação apresentamos um estudo sobre a construção de um critério de emaranhamento geral, no qual podemos aplicá-lo a quaisquer sistemas possuindo um Hamiltoniano descrito por cadeias de spins, seja ele bipartido ou multipartido. Esse critério é baseado na covariância de um observável geral que pode ou não possuir termos de interações entre os spins. Entretanto, esse critério pode ser facilmente reduzido a variância, uma vez que esta é muito mais adequada para a aplicação em sistemas físicos. Desta maneira, podemos utilizar a susceptibilidade magnética e o calor específico como testemunhas de emaranhamento para o critério, em razão da sua facilidade de medidas experimentais. / Since the advent of quantum mechanics in the early twentieth century, it has been the subject of several studies and their features cause it to be described quite differently from classical theory. With the deepening in their fields, there were new concepts and understanding about information theory and quantum computing has been radically changed due to a basic property of quantum mechanics, the entanglement. Thus, the popularization of the idea of the quantum computer has brought a lot of research related to quantum information and its applications in the real world. In this thesis we present a study about a construction of a general criterion of entanglement, in which we can apply it to any system having a Hamiltonian described by spin chains, either bipartite or multipartite. This criterion is based on general observables covariance that may or may not possess terms of interactions between spins. However, this criterion can be easily reduced to the variance, since this is more suitable for use in physical systems. In this way, we can use the magnetic susceptibility and the specific heat as witnesses of entanglement for the criterion, because of their ease of experimental measurements.

PolarizaÃÃo quÃntica tem sido usada extensivamente no processo da informaÃÃo quÃntica e emaranhamento quÃntico à essencial para muitas Ãreas de pesquisas, incluindo computaÃÃo quÃntica. Nesse trabalho foi realizada uma investigaÃÃo do grau de polarizaÃÃo e do emaranhamento de uma famÃlia de estados quÃnticos conhecidos como estados coerentes de fÃtons adicionados. Tais estados podem ser Ãteis na distribuiÃÃo quÃntica de chaves e distribuiÃÃo de emaranhamento. Usamos os parÃmetro de Stokes e a funÃÃo Q para demonstrar que, de uma forma geral, a polarizaÃÃo de uma superposiÃÃo de dois estados coerentes bimodais de fÃtons adicionados aumenta significantemente com o nÃmero de fÃtons adicionados. TambÃm utilizamos a concorrÃncia para mostrar que a quantidade de emaranhamento nas superposiÃÃes citadas apresenta um comportamento que depende se o nÃmero de fÃtons adicionados em cada modo sÃo iguais ou diferentes. / Polarization has been used extensively in quantum information processing, and quantum entanglement is essential to many areas of research, including quantum computing. Here we investigate the degree of polarization and the entanglement of a family of quantum states known as photon-added entangled coherent states. Such states could serve as means of entanglement distribution and quantum key distribution. Using the quantum Stokes parameters and the Q function, we demonstrated that, in general, the polarization of a superposition of two two-mode photon-added coherent states increases significantly with the number of added photons. And using the concurrence, we showed that the amount of entanglement in this kind of superposition presents a behavior that is dependent on whether or not the number of added photons on each mode is the same.

Orientador: Antonio Vidiella Barranco / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-10T14:52:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lourenco_FelipedeCampos_M.pdf: 1075719 bytes, checksum: 3053a24a405a3d715e3f7faf6455b424 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O principal propósito dessa dissertação é estudar um novo modelo de interação entre um átomo e um modo do campo eletromagnético quantizado, assim como a sua aplicação no problema de transferência de emaranhamento entre qubits e sistemas de variáveis contínuas. Inicialmente, apresentamos uma revisão do principal modelo de interação átomo campo quantizado, conhecido como modelo de Jaynes Cummings, e também uma introdução ao emaranhamento, com o objetivo de estabelecer as medidas que serão utilizadas no restante do trabalho. Após essa parte introdutória, baseados no já conhecido modelo Raman degenerado, propomos o modelo Raman Quase degenerado com intuito de descrever a interação de um átomo de três níveis na configuração L e um modo do campo quantizado. Admitimos que o campo, no limite dispersivo, acopla os dois níveis atômicos inferiores ao estado de maior energia e este é eliminado por uma transformação unitária, ou por eliminação adiabática. Dessa forma, ele passa a desempenhar o papel de um nível virtual que possibilita a transição efetiva entre os dois estados de menor energia do átomo. Para chegarmos à forma final do Hamiltoniano efetivo, ainda supomos que a diferença de energia entre os dois níveis inferiores é muito pequena se comparada à dessintonia do nível excitado em relação à freqüência do campo interagente. A partir das equações que descrevem a dinâmica do átomo interagindo com um campo coerente, investigamos a transferência de emaranhamento de um par de átomos maximamente emaranhados para um par de cavidades preparadas inicialmente no estado puro e separável de campo coerente. Naturalmente, também consideramos a transferência no sentido contrário, campo átomo. Os resultados obtidos mostram que é possível a transferência completa nas duas situações. O último assunto abordado nessa dissertação foram os estados coerentes emaranhados do tipo cluster. Propomos um esquema para a geração desse tipo de estado entre quatro cavidades separadas espacialmente utilizando apenas um átomo e duas zonas de Ramsey e também estudamos a influência da dissipação de energia / Abstract: The main purpose of this dissertation is to study a new model to describe the interaction between an atom and a mode of the quantized electromagnetic field and also its application to the entanglement reciprocation problem between qubits and continuous variable systems. Firstly, we review the main model used to describe the atom field interaction,known as the Jaynes Cummings model, and also make an introduction to entanglement, aiming to establish the measures that will be used latter.After this introductory part and based on the known degenerate Raman model, we propose the Quasi degenerate Raman model with the intention to describe the interaction between a three level atom in the L configuration and a mode of the quantized field. We admit that the field, in the dispersive limit, couples the two lower atomic levels to the highest energy state, which is then eliminated by a unitary transformation, or by an adiabatic elimination.In this way, it plays the role of a virtual level which enables the effective transition between the other two lower energy levels. To get to the final form of the effective Hamiltonian we still assume that the energy difference between these two lower energy levels is too small when compared to the detuning of the excited level. From the equations that describe the dynamics of an atom interacting with a coherent field, we investigate the entanglement transfer from two maximally entangled atoms to two cavities initially prepared in a pure separable coherent state. Naturally, we also consider the transfer on the opposite way, field -- atom. Our results show that the complete entanglement reciprocation is possible. The last subject of this dissertation is the cluster type entangled coherent states. We propose a new scheme for the generation of this kind of state among four spatially separated cavities using only one atom and two Ramsey zones and also study the energy dissipation influence / Mestrado / Física Atômica e Molecular / Mestre em Física

Orientador: Kyoko Furuya / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-12T21:50:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Netto_DomeniqueVelloso_M.pdf: 11311141 bytes, checksum: 3ff0f796112fbf62feb5f0de7b56c879 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Neste trabalho realizamos para o modelo de Jahn-Teller E Ä b, que descreve a interação de um qubit com um modo de um oscilador, um estudo do emaranhamento e o relacionamos com a bifurcação do ponto fixo do análogo clássico do modelo. Estudamos também a incidência de caos e sua variação em função dos parâmetros do sistema. Confirmamos os indícios de que no limite massivo do oscilador (m ® ¥ ) o emaranhamento do estado fundamental do sistema como função do seu parâmetro crítico apresenta uma mudançã não suave no seu comportamento quando esse parâmetro atinge o valor crítico. Confirmamos também que para esse mesmo valor crítico o análogo clássico apresenta uma bifurcação de alguns de seus pontos fixos. Sobre a possível influência do caos no emaranhamento, pudemos observar que o aparecimento de região caótica substancial no modelo clássico ocorre quando o parâmetro crítico está nas vizinhanças do valor crítico. A análise da função de Husimi no estado fundamental nos permitiu estabelecer dois aspectos: (i) uma conexão entre a localização do máximo desta função e a localização dos pontos fixos no espaço de fase, comprovando a ocorrência da bifurcaçãco no estado quãntico nesta representação; (ii) verificar que de fato há uma aproximação do limite clássico do oscilador quando aumentamos o parâmetro do modelo associado à quebra de degenerescência das energias do sistema. / Abstract: In this work we realize a study of entanglement for the Jahn-Teller E Ä b model, wich describes the interaction of a qubit with an oscillator mode, and relate it with the bifurcation of the fixed point of the classical analogue of the model. We also study qualitatively the ocurrence of chaos and its variation as a function of the parameters of the system. We have confirmed the signs that in the massive limit of the oscillator ( m ® ¥ ) the entanglement of the fundamental state of the system presents a non-smooth change (as a function of its critical parameter) in its behavior as this parameter attains the critical value. We also confirm that at this same critical value the classical analogue presents a bifurcation of some of its fixed points. Concerning the possible influence of chaos on the entanglement, we have been able to see the appearance of a substantial chaotic region in the classical phase space when the critical parameter is in the vici-nity of its critical value. The analysis of the Husimi function in the fundamental state allowed us to establish two things: (i) a connection between the localization of the maximum of this function and the localization of the fixed points in the phase space, confirming the occurrence of the bifurcation in the quantum state in this representation; (ii) verification that in fact the classical limit of the oscillator is approached when we increase the energy degeneracy breaking parameter of the system. / Mestrado / Física / Mestre em Física