In this work, we discuss a description of quantum properties of light beams produced by an Optical Parametric Oscillator (OPO) above threshold, pumped by a 780 nm Titanium Sapphire laser, resonant with the D2 line of Rb with a noise spectrum of a coherent beam. The twin beams have wavelengths around 1560nm, in the telecommunication band. The states emitted by the OPO under study are approximately Gaussian (1), which allows us to describe them in terms of first and second order moments. As we analyze the noise spectrum of the fluctuations of each beam, the first order moments are null, which allows us to describe the state of the system in terms of a covariance matrix. We present the behavior of the noise spectrum and the correlations between the reflected pump, signal and idler beams. In addition, we applied different entanglement criteria to study the system. We present a prediction of the bipartite entanglement using Duan criterion (2). For tripartite correlations, we use the Furusawa criterion (3). We performed a study of bipartition pump and sum quadrature. As well, we applied the PPT criterion (4) for continuous variables, independently transposing each beam under study. The PPT criterion is necessary and sufficient to demonstrate entanglement between bipartitions for Gaussian states. In order to explore the behavior of the system using the steering criterion in the model developed by Reid (5), we theoretically study the criterion of inference for bipartite quadratures: between the twin beams or between one of the twin beams and the pump beam. In addition, we analyzed the inference between the three modes, through the bipartition pump mode and combination of sum quadrature of the twin beams. We develop a quantum teleportation protocol of a coherent input state, composed by the Titanium Sapphire beam whose Bell measurement is performed using the pump reflected by the OPO as an entangled state for the signal and idler beams as a first possibility to implement the protocol. Furthermore, we propose a protocol in which the signal beam assists in the process of teleportation. Thus, the fidelity of the system increases and exceeds the limit of non-cloning. We will describe the first measurements of correlations between the beams emitted by the OPO for this system. The tripartite entanglement characterization is the first step in the implementation of quantum optical protocols using a source of entangled states that is compatible with both Rubidium atomic systems and the telecommunications region, thus forming a quantum network. / Nesse trabalho apresentamos uma descrição das propriedades quânticas dos feixes de luz produzidos por um Oscilador Paramétrico Ótico (OPO) acima do limiar, bombeado por um laser de Titânio Safira com comprimento de onda de 780nm, linha D2 do Rb, com espectro de ruído de um feixe coerente. Os feixes gêmeos possuem comprimentos de onda na região de 1560 nm que compreende a janela de transmissão de fibras óticas. Os estados emitidos pelo OPO em estudo são aproximadamente gaussianos (1), o que nos permite descrevê-los em termos de momentos de primeira e segunda ordem. Como analisamos o espectro de ruído das flutuações de cada feixe, os momentos de primeira ordem são nulos, o que nos permite descrever o estado do sistema em termos de uma matriz de covariância. Apresentamos então o comportamento do espectro de ruído e das correlações entre os feixes de bombeio refletido, sinal e complementar. Ademais, aplicamos diferentes critérios de emaranhamento para estudar o sistema. Apresentamos uma previsão do emaranhamento bipartido utilizando o critério de Duan (2). Para as correlações tripartidas, utilizamos o critério de Furusawa (3). Realizamos um estudo da bipartição bombeio e quadratura soma. E, aplicamos o critério PPT para variáveis contínuas (4), transpondo independente cada feixe em estudo. O critério PPT é necessário e suficiente para demonstrar emaranhamento entre bipartições para estados gaussianos. Com o objetivo de explorar qual o comportamento do sistema frente ao critério de \"steering\" no modelo desenvolvido por Reid (5), estudamos teoricamente o critério de inferência para quadraturas bipartidas: entre os feixes gêmeos ou entre um dos feixes gêmeos e o feixe de bombeio. Finalizamos essa análise caracterizando a inferência entre os três modos, através da bipartição modo do bombeio e combinação das quadraturas soma dos feixes gêmeos. Apresentamos a formulação de um protocolo de teletransporte quântico de um estado coerente de entrada formado pelo feixe do Titânio Safira, cuja medida de Bell é realizada utilizando o bombeio refletido pelo OPO como estado emaranhado para os feixes sinal e complementar, como uma primeira possibilidade de implementar o protocolo. Também propomos um protocolo em que o feixe sinal auxilia no processo de teleportação. Dessa forma, a fidelidade do sistema aumenta e supera o limite da não clonagem. Descreveremos as primeiras medidas de correlações entre os feixes emitidos pelo OPO para esse sistema. A caracterização de emaranhamento tripartido nessa nova configuração é o primeiro passo para a implementação de protocolos de ótica quântica utilizando uma fonte de estados emaranhados que é compatível tanto com sistemas atômicos de Rubídio quanto com a região de telecomunicações, formando assim uma rede quântica de transferência e aprisionamento de informação.

Investigamos as propriedades quânticas conjuntas dos três feixes intensos de luz produzidos por um oscilador paramétrico ótico (OPO) operando acima do limiar, denominados bombeio, sinal e complementar. Analisamos experimentalmente as flutuações quânticas de intensidade e fase destes feixes, e como se correlacionam. Observamos pela primeira vez a presença de correlações quânticas entre as fases dos três campos. O ruído observado na soma das fases de sinal e complementar, Vq12=1,28(3)>1, passa a apresentar compressão de ruído após ser corrigido pelas flutuações de fase do feixe de bombeio, resultando em (Vq12)\' =0,84(3)<1. Para potências mais altas de bombeio, observamos também a existência de correlações quânticas diretamente entre as amplitudes do feixe de bombeio e um dos feixes convertidos (sinal ou complementar); a máxima compressão de ruído medida correspondeu a Vp02=0,86(3)<1. Estendemos nosso estudo às propriedades de emaranhamento deste sistema tripartite, para tanto utilizando dois critérios distintos. Nossos dados apontam a separabilidade do sistema no regime de operação estudado, em contradição com o modelo teórico. Utilizando o critério de emaranhamento de P. van Loock e A. Furusawa, obtivemos os seguintes valores para as combinação de variâncias que comprovariam a inseparabilidade caso fossem menores que 2: V0=1,29(5)<2, V1=2,04(11)>2 e V2=2,09(7)>2. Com relação ao segundo critério de separabilidade, positividade sob transposição parcial, obtivemos os seguintes autovalores simpléticos a partir da matriz de covariância medida: A0=0,94(8) e A1=0,36(6)<1, em que o emaranhamento seria evidenciado caso A0<1 e A1<1. Esta discordância com a previsão teórica está relacionada a um ruído clássico espúrio observado no sistema, cujas características são levantadas nesta tese. Nossa análise indica os rumos a serem seguidos para a observação do emaranhamento. Mostramos teoricamente que o emaranhamento tripartite previsto pode ser utilizado como recurso para a criação de um sistema emaranhado multipartite. Para tanto, diversos OPOs são utilizados em uma configuração em cadeia, na qual o feixe de bombeio refletido pelo primeiro OPO serve de bombeio para o segundo e assim sucessivamente. Este esquema permite a geração de uma rede quântica multicolor escalável. Por fim, descrevemos a construção de um laser de Ti:safira que representa o primeiro passo na integração entre luz não-clássica e física atômica a ser investigada em nosso laboratório. Este laser pode ser utilizado, ao mesmo tempo, como bombeio do OPO e de uma nuvem de átomos. O emaranhamento tripartite gerado no OPO estabeleceria a conexão destes últimos com os feixes convertidos, cujos comprimentos de onda possibilitariam a transmissão direta destes feixes de luz através de fibras óticas comerciais de telecomunicação. / We have investigated the collective quantum properties of the three bright light beams produced by an optical parametric oscillator (OPO) operating above threshold, named pump, signal, and idler. We have analyzed experimentally their intensity and phase quantum fluctuations, and how they are correlated. For the first time, we have observed the existence of phase quantum correlations among the three beams. The measured phase-sum noise between signal and idler, Vq12=1,28(3)>1, presents squeezing when corrected by the phase fluctuations of the pump beam, resulting in (Vq12)\'=0,84(3)<1. For higher pump powers, we have observed the existence of amplitude quantum correlations directly between pump and one of the downconverted beams (signal or idler); the maximum measured squeezing level corresponded to the noise Vp02=0,86(3)<1. Our investigations included the entanglement properties of this tripartite system, tested by two different criteria. Our data points to the separability of the system in the accessible regime of operation, in contradiction with the theoretical predictions. Applying the criterion by P. van Loock and A. Furusawa, we have obtained the following values of combinations of variances which would attest the inseparability in case values smaller than 2 would be obtained: V0=1,29(5)<2, V1=2,04(11)>2, and V2=2,09(7)>2. For the second criterion, the positivity under partial transpose, we have obtained the following symplectic eigenvalues calculated from the measured covariance matrix: A0=0,94(8) and A1=0,36(6)<1, where entanglement is attested in case A0<1,and A1<1. This discrepancy with the theoretical prediction is caused by a classical spurious noise observed in the system, which characteristics are investigated in this thesis. Our analysis indicates the path to successfully observe tripartite entanglement. We show theoretically that the predicted tripartite entanglement can be employed as a resource for the construction of a multipartite entangled system. This is accomplished by pumping several OPO\'s with the same optical field, such that the pump beam reflected by the first OPO is utilized to pump a second one, and so on. This scheme allows the generation of a multicolor scalable quantum network. Finally, we describe the construction of a Ti:sapphire laser which represents the first step in the integration between non-classical light and atomic physics to be investigated in our laboratory. This laser could be employed at the same time to pump an OPO and to interact with a cloud of atoms. The tripartite entanglement produced by the OPO could then entangle the atoms to the downconverted beams, which wavelength would allow the transmission of these beams through commercial optical fibers for telecom.

Orientador: Ricardo Luís Doretto / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-03T02:41:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leite_LeonardoDaSilvaGarcia_M.pdf: 1468749 bytes, checksum: 2f4e22a34c4a72b7b68eec6673285298 (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: Nesse trabalho, calculamos a entropia de emaranhamento de um antiferromagneto de Heisenberg dimerizado em uma rede quadrada. Dois padrões de dimerização distintos são considerados: colunar e alternado. Em ambos os casos, focamos na fase de sólidos de singletos (VBS) que é descrita pela representação dos operadores de ligação. Nesse formalismo, o hamiltoniano de spin original é mapeado em um modelo efetivo de bósons interagentes com excitações de tripleto. O hamiltoniano efetivo é estudado na aproximação harmônica e o espectro das excitações elementares e o diagrama de fase dos dois modelos dimerizados são determinados. Consideramos um subsistema unidimensional (cadeia) de comprimento $L$ dentro de uma rede quadrada com condições periódicas de contorno e calculamos a entropia de emaranhamento. Seguimos um procedimento analítico baseado na teoria de ondas de spin modificadas que havia sido desenvolvido originalmente para calcular a entropia de emaranhamento em fases magneticamente ordenadas. Em particular, esse procedimento nos permite considerar subsistemas unidimensionais compostos por até 200 sítios. Combinamos esse procedimento com o formalismo dos operadores de ligação na aproximação harmônica e mostramos que, para os dois modelos de Heisenberg dimerizados, a entropia de emaranhamento da fase VBS obedece uma lei de área. Tanto para a dimerização colunar quanto para a alternada, mostramos que a entropia de emaranhamento aumenta à medida que o sistema se aproxima da transição de fase quântica entre as fases Néel-VBS / Abstract: Nesse trabalho, calculamos a entropia de emaranhamento de um antiferromagneto de Heisenberg dimerizado em uma rede quadrada. Dois padrões de dimerização distintos são considerados: colunar e alternado. Em ambos os casos, focamos na fase de sólidos de singletos (VBS) que é descrita pela representação dos operadores de ligação. Nesse formalismo, o hamiltoniano de spin original é mapeado em um modelo efetivo de bósons interagentes com excitações de tripleto. O hamiltoniano efetivo é estudado na aproximação harmônica e o espectro das excitações elementares e o diagrama de fase dos dois modelos dimerizados são determinados. Consideramos um subsistema unidimensional (cadeia) de comprimento $L$ dentro de uma rede quadrada com condições periódicas de contorno e calculamos a entropia de emaranhamento. Seguimos um procedimento analítico baseado na teoria de ondas de spin modificadas que havia sido desenvolvido originalmente para calcular a entropia de emaranhamento em fases magneticamente ordenadas. Em particular, esse procedimento nos permite considerar subsistemas unidimensionais compostos por até 200 sítios. Combinamos esse procedimento com o formalismo dos operadores de ligação na aproximação harmônica e mostramos que, para os dois modelos de Heisenberg dimerizados, a entropia de emaranhamento da fase VBS obedece uma lei de área. Tanto para a dimerização colunar quanto para a alternada, mostramos que a entropia de emaranhamento aumenta à medida que o sistema se aproxima da transição de fase quântica entre as fases Néel-VBS / Mestrado / Física / Mestre em Física / 1547615/2015 / CAPES

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:25:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 lucas stori.pdf: 1232711 bytes, checksum: 264a44f2f6fc6eda1fa61e3d9e1d62f2 (MD5) Previous issue date: 2007-11-22 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The problem of so-called "quantum teleportation", or a transfer of the state of some quantum system to another quantum system has attracted attention of many authors. The aim of our study is to consider the effect of the quantum parametric excitation on the quantum information exchange between two modes of the electromagnetic field modeled by coupled quantum oscillators, where one of the oscillators has a time dependent frequency, as an extension of the case of two coupled modes considered. In the quantum case, the oscillators exchange not only energies, but also their quantum states and such an exchange can be interpreted as an ideal information transfer. We see that the possibility of quantum state exchange or information transfer can be detected in the most direct way by analyzing the Schrödinger propagator features in the coordinate representation. There are many different schemes of calculating the propagators of coupled oscillators, but the simplest one is that based on the theory of linear time dependent quantum invariants. Considering that the system in study models the coupled modes of the electromagnetic field, the interaction occurs in the domain of the weak interactions; the intensity of the coupling constants are small. Then we can consider the systems of differential equations for the dynamic behavior in the case of weak coupling limit. Starting with this argument, we can reduce the differential equations of first order to the only two groups of second order differential equations for all that ¸’s matrices. With the ¸’s matrices well determined, we can calculate the measured of entanglement, squeezing, purity and other quantum state properties of each mode in a particular case of Gaussian initial states. / O problema conhecido como "teletransporte quântico", ou transferência de estados quânticos, tem atraído a atenção de muitos autores. O objetivo de nosso estudo é considerar o efeito da excitação paramétrica quântica na troca de informação quântica entre dois modos do campo eletromagnético modelados por osciladores quânticos acoplados, onde um dos osciladores tem uma frequência dependente do tempo, sendo considerada o caso de dois modos acoplados. No caso quântico, os osciladores não trocam somente energias, mas também seus estados quânticos e tal troca pode ser interpretada como uma transferência de informação. Vemos que a possibilidade de troca de estados quânticos ou informação quântica pode ser verificadas de muitas maneiras pela análise direta do propagador de Schrödinger na representação das coordenadas. Existem várias maneiras diferentes de calcular o propagador de osciladores acoplados, mas uma maneira simples é baseada na teoria de invariantes quânticos dependentes linearmente do tempo. Considerando que o sistema em estudo é modelado por modos acoplados do campo eletromagnético, a interação ocorre nos domínios das interações fracas; a intensidade das constantes de acoplamentos são pequenas. Então, podemos considerar um sistema de equações diferenciais onde o seu comportameto dinâmico é dado no limite do acoplamento fraco. Iniciando com este argumento, nos reduzimos as equações diferenciais de primeira ordem em um conjunto de equações diferenciais de segunda ordem para as matrizes 0s. Com as matrizes ¸0s determinadas, nos podemos calcular medidadas de emaranhamento, compressão, pureza e outras propriedades de estados quânticos de cada modo em particular no caso de estados Gaussianos iniciais.

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:25:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Joao Frederico.pdf: 2218397 bytes, checksum: 781c58d12bce3113c45da4e65bd0e36d (MD5) Previous issue date: 2010-03-11 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In this dissertation, we studied entanglement in some fundamental systems of physics, such as an excited atom in free-space spontaneously decaying and coupled harmonic oscillators. In order to study entanglement in spontaneous emission in free-space, we employed theWeisskopf-Wigner theory which allowed us to obtain the time evolution of both the atom and field states. In the case of bipartite entanglement among field modes after spontaneous emission, we showed that the modes can become highly entangled and that the features of this entanglement strongly depend on the way the partitions are made. For the entanglement between atom and field during spontaneous emission, we were able to relate entanglement to a well known physical quantity namely the lifetime of an atom in a excited state. Keeping in mind the intention to study simple but relevant physical systems, we used in the second work a chain of coupled harmonic oscillators. It was well-known among researchers in the field of quantum information that a linear chain of coupled oscillators in the rotating wave approximation and prepared in classical states would never create entanglement. Then, we used two reference oscillators prepared in squeezed states to make creation of entanglement possible. We found results concerning the relationship between the phases in the reference oscillators’ state and dynamics of entanglement in the chain for some coupling configurations. We showed that it is not always true that squeezing can favor entanglement creation and that with the configuration used by us it is possible to localize entanglement. We proposed a possible implementation of our results in coupled microelectromechanical systems. / Nesta dissertação estudamos o emaranhamento em alguns sistemas fundamentais da Física, como um átomo no espaço livre realizando emissão espontânea e em osciladores harmônicos acoplados. Para o estudo do emaranhamento na emissão espontânea no espaço livre, utilizamos a teoria de Weisskopf-Wigner que nos permitiu obter a evolução temporal, tanto do estado do átomo, quanto do estado do campo. Para o caso de emaranhamento bipartido entre os modos do campo após a emissão espontânea, mostramos que os modos podem ficar altamente emaranhados e que as características desse emaranhamento dependem fortemente de como são realizadas as partições. Para o emaranhamento entre o átomo e o campo durante a emissão espontânea, pudemos relacionar o emaranhamento com uma quantidade Física bastante conhecida, o tempo de vida do átomo no seu estado excitado. Ainda com o intuito de estudar sistemas físicos simples, mas de relevância na Física, utilizamos, em um segundo trabalho, uma cadeia de osciladores harmônicos acoplados. Já era bem conhecido dos pesquisadores na área de informação quântica que uma cadeia linear de osciladores acoplados, na aproximação de onda girante e preparados em estados clássicos, não cria emaranhamento. Assim, utilizamos dois osciladores de referência em estados comprimidos para permitir a criação de emaranhamento. Encontramos resultados a respeito da relação das fases dos osciladores de referência e a dinâmica do emaranhamento na cadeia para algumas configurações de acoplamentos. Mostramos que nem sempre a compressão dos estados comprimidos favorece a criação de emaranhamento e que na configuração utilizada por nós é possível localizar o emaranhamento. Nós propusemos uma possível implementação de nossos estudos em sistemas microeletromecânicos acoplados.

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:25:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CarlosEduardoKrassinskiSoares.pdf: 1234525 bytes, checksum: 758cda42769aa4bdf65a24c3f1cca4ed (MD5) Previous issue date: 2010-12-17 / In this dissertation, we study the physical properties of an open system, composed of two interacting bosonic modes (quantum harmonic oscillators) of different frequencies, with a explicitly time dependent coupling. It is assumed that each of the bosonic modes is under the effect of a thermal reservoir and the dynamics of their quantum properties is studied. In the case of quadratic systems and Gaussian initial states, the quantum properties of the coupled modes evolve in time according to the time evolution of the non-symmetrized second order moment which is described in the framework of the non-unitary evolution of quantum quadratic systems. The dynamical properties are determined by solving systems of differential equations for the second moments. These systems of differential equations have time-dependent coefficients and in the limit of weak coupling, the Method of Multiple Scales for constructing and solving differential equations is applied. This approach determines the differential equations solutions in a perturbative series of an appropriate parameter associated with orders of magnitude of the couplings. In this way it is obtained a description of the temporal behavior of the squeezing and the purity for each mode in the particular cases of parametric amplification and conversion. In this context, it is also considered the problem of the quantitative measure of entanglement, analyzing its dynamical behavior for different values of the system parameters and Gaussian initial states configurations. / Nesta dissertação, estudam-se propriedades físicas de um sistema aberto, composto por dois modos bosˆonicos interagentes (osciladores harmônicos quânticos) de frequências distintas, com o acoplamento explicitamente dependente do tempo. Assume-se cada um dos modos bosônicos sob efeito de reservatórios téermicos e analisa-se a dinâmica de suas propriedades quânticas. Em se tratando de sistemas quadraticos e estados iniciais Gaussianos, determina-se a evolução ao temporal das propriedades dos modos acoplados a partir da evolução ao temporal dos momentos de segunda ordem não o simetrizados na formulação de sistemas quadraticos de evolucção não unitária. As propriedades dinamicas são o determinadas solucionando-se sistemas de equacões diferenciais para os segundos momentos não simetrizados. Sendo sistemas de equções diferenciais com coeficientes dependentes do tempo, no limite do acoplamento fraco, aplica-se o Método das Escalas Múltiplas para a construção e a resolução das equações diferenciais, determinando-se suas soluções em séries perturbativas em um parâmetro adequado, associado as ordens de grandeza dos acoplamentos. Dessa maneira, analisa-se a dinâmica da medida de compressão e da pureza para os casos da amplificação e conversão paramétrica para diferentes valores de parâmetros de estados iniciais. Neste contexto, considera-se também o problema da medida quantitativa do emaranhamento, analisando seu comportamento para diferentes conjuntos de parˆametros do sistema e configurações de estados iniciais Gaussianos.

Orientador: Marcos Cesar de Oliveira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-24T17:07:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_ThiagoRodriguesde_D.pdf: 2410853 bytes, checksum: 48f52d2d48ef1be2ecb155881b8e16df (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Esta dissertação tenta contribuir ao entendimento das possíveis interconexões entre a Teoria de Informação Quântica e Matéria Condensada, um novo campo de pesquisa em amplo desenvolvimento. Mais especificamente, investigamos o papel do emaranhamento, ou correlações quânticas, em transições de fase quânticas contínuas. Enquanto o papel do primeiro na Teoria de Informação dispensa apresentação, as últimas são de grande interesse por exibir um comportamento universal, o qual se origina na divergência de um comprimento de correlação. É esta origem mútua em correlações de ambos os fenômenos que cria uma expectativa de uma possível relação entre estes. Nosso trabalho, embasado no estudo do modelo XY unidimensional em um campo transverso, aponta evidências de um favorecimento do emaranhamento multipartite em detrimento do bipartite na transição, e assim da importância do primeiro no estabelecimento de correlações de longo alcance. Nessa tarefa, acabamos por definir uma classe de medidas de emaranhamento multipartite, generalizando o Emaranhamento Global introduzido por Meyer e Wallach em2002. Mostramos que algumas destas classes provêem informações adicionais à do Emaranhamento Global, além de serem escritas de forma simples em termos de funções de correlação. Tal simplicidade permite o estabelecimento de uma relação formal entre uma dessas classes e transições de fase sinalizadas por divergências na energia. Ao final estudamos o papel da quebra de simetria no emaranhamento bipartite e multipartite, evidenciando, uma vez mais, a maior importância do último em relação ao primeiro. Em uma segunda parte, examinamos o uso de estados de produtos de matrizes na aproximação de estados fundamentais de sistemas críticos. Estes estados podem ser vistos como o ansatz utilizado no Grupo de Renormalização de Matriz Densidade (DMRG), quando este é encarado como um método variacional. Analisando o poder de aproximação de tais estados, agora no modelo de Ising, descobrimos que a "dimensão" do ansatz (ou número de graus de liberdade renormalizados) é uma variável relevante do grupo de renormalização de maneira análoga ao tamanho finito do sistema. Isto possibilita uma análise de escala em relação a essa "dimensão" dos estados de produto de matrizes, com uma possível obtenção de propriedades críticas a baixo custo computacional / Abstract: This thesis attempts to contribute to the understanding of possible connections between Quantum Information and Condensed Matter theories, a new field of research in broad development. Specifically, we investigated the role of entanglement, or quantumcorrelations, in continuous quantum phase transitions. While the importance of the first in the theory of Quantum Information is well known dispense presentation, the latter are of great interest as they exhibit a universal behavior, which descent fromthe divergence of the correlation length. This mutual origin of both in correlations is what creates an expectation of a possible link between them. Our work, based on the study of XY dimensional model in a transverse field, brings evidence of multipartite entanglement being favored, in detriment of bipartite in the transition, and thus in the importance of the first in the establishment of long-range correlations. During our journey, we define a class of measures of multipartite entanglement, generalising the Global Entanglement introduced by Meyer and Wallach in 2002. We show that some of these classes provide additional information to the Global Entanglement, as well as being written in a simple way in terms of correlation functions . This simplicity allows the establishment of a formal relationship between those classes and phases transitions marked by non-analycities in the energy. At the end, we studied the role of spontaneous symmetry breaking in the bipartite and multipartite entanglement, demonstrating once again a major role of the last over the first. In a second part, we examine the use of Matrix Product States to approximate ground states of critical systems. This class of states can be seen as the ansatz used in the Density Matrix Renormalization Group (DMRG), when this one is understood as a variational method. Analyzing the power of approximation of these states, now in Ising model, we found that the "dimension" of the ansatz (or number of renormalized degrees of freedom) is a relevant variable in the renormalization group, in a analogous way to the finite size of the system. This enables an analysis of scaling regarding the "size" of Matrix Product States, with a possible acquisition of critical properties at low computation cost / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

Orientador: Guillermo Gerardo Cabrera Oyarzun / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Abstract: Quantum spin systems are caracterized by huge spaces of states, whose dimensions grow exponentially with the particles number. If following the preparation of the initial state, the system is kept isolated from external variables, it will develop a unitary time evolution according to Schrödinger equation or to Liouville equation. The system is driven exclusively by quantum uctuations, whose origin is the Uncertainty Principle. The evolution of a quantum state or a physical observable or mathematical nonobservable operator mean values may involve all states of the whole space of states, or big or small fractions of the total number of states. The analysis of the relaxation of a spin system from an arbitrary initial state to the equilibrium has to cope in general with the difficulty of requiring an extraordinarily great number of eigenstates and eigenvalues. In this work the main interest is centered on the evolution of magnetization¿s Fourier components in low dimensional systems of spins 1/2, whose interactions be given by the exchange modeled by Heisenberg Hamiltonians with axial anisotopy, XXZ. Exact solutions, analitic or numeric, are obtained. This is the continuation of work done in our research group which dealt with XY Hamiltonian families. In the analysis of the systems with the Hamiltonian XXZ, it was specially analysed the subspace defined by null total magnetization and the subspace defined by one spin wave, where chains up to 14 and 1200 were treated, respectively. There are emergence of fast and slow relaxation processes, which depend on the interations and on the initial state, and which result from destructive or constructive quantum interferences. Connections between the presence of those processes and the energy spectrum structure is discussed. Finally, the time evolution of some measures of global entanglement from initial states in the subspace of one spin wave are analised: the considered dynamics creates global entanglement until each entanglement measure reaches a saturation / Made available in DSpace on 2018-09-24T18:24:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Carvalho_JulioGarcia_D.pdf: 5851086 bytes, checksum: fe9467d4e143df319d98e75ddb334401 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Os sistemas quânticos de spin são caracterizados por espaços de estados muito grandes, cujas dimensões crescem exponencialmente com o número de partículas. Se após a preparação do estado inicial, o sistema for mantido isolado de variáveis externas, desenvolve-se uma evolução temporal unitária prescrita pela equação de Schrödinger ou pela equação de Liouville. O sistema é movido exclusivamente por flutuações quânticas, as quais têm sua origem no Princípio da Incerteza. A evolução de um estado quântico ou de valores médios de observáveis físicos ou de operadores matemáticos não observáveis pode envolver todos os estados do espaço de estados, ou frações grandes ou pequenas do número total de estados. A análise da relaxação de um sistema de spins desde um estado inicial arbitrário até o equilíbrio apresenta a dificuldade de requerer em geral um número extraordinariamente grande de auto-estados e autovalores. Neste trabalho o maior interesse está na evolução das componentes de Fourier da magnetização em sistemas de baixa dimensão espacial, com spins 1/2 e cujas interações sejam dadas pela troca modelada por Hamiltonianos de Heisenberg com anisotropia axial, XXZ. Serão obtidas soluções exatas: numéricas ou analíticas. A motivação proveio de trabalhos anteriores realizados no grupo de pesquisa referentes a famílias do Hamiltoniano XY. Ao se considerar o Hamiltoniano XXZ, analisou-se especialmente o subespaço definido por magnetização total nula e o subespa¸ co de uma onda de spin, onde trataram-se cadeias com até 14 e 1200 sítios, respectivamente. Há emergência de processos rápidos e lentos de relaxação, os quais dependem das interações e do estado inicial, e resultam de interferência quântica destrutiva ou construtiva. Serão discutidas conexões entre a presença desses processos e a estrutura do espectro de energia. Finalmente serão analisadas as evoluções temporais de algumas medidas de emaranhamento global, a partir de estados contidos no subespaço de uma onda de spin: a dinâmica considerada cria emaranhamento global até cada medida atingir uma saturação / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

Les boites quantiques de semiconducteurs représentent une voie attractive pour la réalisation de sources de photon efficaces pour le transfert quantique de l’information, avec un fort potentiel de miniaturisation et d’intégration. Dans ce travail, les paires de photons intriqués sont générées via le déclin radiatif de bi-excitons, à partir de boite quantiques d’InAs auto-assemblées placé dans une jonction p-i-n. Dans une première série d’expérience d’interférence à deux photons, nous avons démontré des corrélations de polarisation non classiques et la capacité de deux photons à interférer. L’intrication a été démontrée avec une fidélité de 0.87±0.04, et une visibilité des interférences de 0.60±0.05. Nous avons ensuite réalisé le premier téléporteur injecté électriquement dans un circuit à fibre monomode. Une fidélité moyenne de 0.704±0.016 a été mesurée pour 6 états distribués symétriquement sur la sphère de Poincaré, ce qui supérieur à la limite classique de 2/3 et prouve la téléportation. Un dispositif modifié de téléportation permettant d’injecter des photons à partir d’un laser continu indépendant a été développé. L’interférence à deux photons entre sources différentes a été démontrée et des battements quantiques observés. La téléportation quantique des états de polarisation portés par les photons a été obtenue avec une fidélité moyenne 0.76±0.012. Le contrôle du spin des charges confinés dans les nanostructures tels que les boites quantiques requiert une compréhension profonde de la physique des matériaux constituant, y compris au niveau nucléaire. Ainsi, nous avons démontré le contrôle électrique de l’interaction hyperfine entre les spins électroniques et nucléaires en utilisant un composant à charge ajustable. La modélisation suggère que le mécanisme est contrôlé par le temps de corrélation hyperfine de l’électron et le temps de dépolarisation du noyau. / Semiconductor quantum dots offer an attractive route towards efficient and high-quality photon sources for optical quantum information applications, with potential for miniaturization and integration on chip. Here, entangled photon pairs are generated in the biexcitonic radiative cascade resulting from electrical excitation of InAs self-assembled quantum dots placed in a p-i-n diode. In a first set of experiments the non-classical polarisation correlations and the ability to interfere the photons in two-photon interference experiments was verified, finding entanglement fidelities of up to 0.87±0.04 and interference visibilities up to 0.60±0.05. Encouraged by the two-photon interference experiments, the first directly electrically driven teleporter was implemented in a single-mode fibre circuit. An average fidelity of 0.704±0.016 was achieved for six states symmetrically distributed on the Poincaré sphere, beating the classical limit of 2/3 and proving that quantum teleportation is taking place. A modified teleportation setup allowed for the accommodation of input photons from an independent CW laser. Two-photon interference between the dissimilar light sources was demonstrated and quantum beats could be observed. Quantum teleportation of polarisation states carried by laser photons was then performed with average fidelity 0.76±0.012. Controlling confined charge carriers in nano-scale systems such as quantum dots requires a deep understanding of the underlying material physics, even on the nuclear level. Voltage control of electron-nuclear hyperfine spin interactions was demonstrated using a charge-tuneable device. Modelling suggests that the mechanism is controlled mainly via the electron hyperfine correlation time and the nuclear depolarisation time.

In this work, we discuss a description of quantum properties of light beams produced by an Optical Parametric Oscillator (OPO) above threshold, pumped by a 780 nm Titanium Sapphire laser, resonant with the D2 line of Rb with a noise spectrum of a coherent beam. The twin beams have wavelengths around 1560nm, in the telecommunication band. The states emitted by the OPO under study are approximately Gaussian (1), which allows us to describe them in terms of first and second order moments. As we analyze the noise spectrum of the fluctuations of each beam, the first order moments are null, which allows us to describe the state of the system in terms of a covariance matrix. We present the behavior of the noise spectrum and the correlations between the reflected pump, signal and idler beams. In addition, we applied different entanglement criteria to study the system. We present a prediction of the bipartite entanglement using Duan criterion (2). For tripartite correlations, we use the Furusawa criterion (3). We performed a study of bipartition pump and sum quadrature. As well, we applied the PPT criterion (4) for continuous variables, independently transposing each beam under study. The PPT criterion is necessary and sufficient to demonstrate entanglement between bipartitions for Gaussian states. In order to explore the behavior of the system using the steering criterion in the model developed by Reid (5), we theoretically study the criterion of inference for bipartite quadratures: between the twin beams or between one of the twin beams and the pump beam. In addition, we analyzed the inference between the three modes, through the bipartition pump mode and combination of sum quadrature of the twin beams. We develop a quantum teleportation protocol of a coherent input state, composed by the Titanium Sapphire beam whose Bell measurement is performed using the pump reflected by the OPO as an entangled state for the signal and idler beams as a first possibility to implement the protocol. Furthermore, we propose a protocol in which the signal beam assists in the process of teleportation. Thus, the fidelity of the system increases and exceeds the limit of non-cloning. We will describe the first measurements of correlations between the beams emitted by the OPO for this system. The tripartite entanglement characterization is the first step in the implementation of quantum optical protocols using a source of entangled states that is compatible with both Rubidium atomic systems and the telecommunications region, thus forming a quantum network. / Nesse trabalho apresentamos uma descrição das propriedades quânticas dos feixes de luz produzidos por um Oscilador Paramétrico Ótico (OPO) acima do limiar, bombeado por um laser de Titânio Safira com comprimento de onda de 780nm, linha D2 do Rb, com espectro de ruído de um feixe coerente. Os feixes gêmeos possuem comprimentos de onda na região de 1560 nm que compreende a janela de transmissão de fibras óticas. Os estados emitidos pelo OPO em estudo são aproximadamente gaussianos (1), o que nos permite descrevê-los em termos de momentos de primeira e segunda ordem. Como analisamos o espectro de ruído das flutuações de cada feixe, os momentos de primeira ordem são nulos, o que nos permite descrever o estado do sistema em termos de uma matriz de covariância. Apresentamos então o comportamento do espectro de ruído e das correlações entre os feixes de bombeio refletido, sinal e complementar. Ademais, aplicamos diferentes critérios de emaranhamento para estudar o sistema. Apresentamos uma previsão do emaranhamento bipartido utilizando o critério de Duan (2). Para as correlações tripartidas, utilizamos o critério de Furusawa (3). Realizamos um estudo da bipartição bombeio e quadratura soma. E, aplicamos o critério PPT para variáveis contínuas (4), transpondo independente cada feixe em estudo. O critério PPT é necessário e suficiente para demonstrar emaranhamento entre bipartições para estados gaussianos. Com o objetivo de explorar qual o comportamento do sistema frente ao critério de \"steering\" no modelo desenvolvido por Reid (5), estudamos teoricamente o critério de inferência para quadraturas bipartidas: entre os feixes gêmeos ou entre um dos feixes gêmeos e o feixe de bombeio. Finalizamos essa análise caracterizando a inferência entre os três modos, através da bipartição modo do bombeio e combinação das quadraturas soma dos feixes gêmeos. Apresentamos a formulação de um protocolo de teletransporte quântico de um estado coerente de entrada formado pelo feixe do Titânio Safira, cuja medida de Bell é realizada utilizando o bombeio refletido pelo OPO como estado emaranhado para os feixes sinal e complementar, como uma primeira possibilidade de implementar o protocolo. Também propomos um protocolo em que o feixe sinal auxilia no processo de teleportação. Dessa forma, a fidelidade do sistema aumenta e supera o limite da não clonagem. Descreveremos as primeiras medidas de correlações entre os feixes emitidos pelo OPO para esse sistema. A caracterização de emaranhamento tripartido nessa nova configuração é o primeiro passo para a implementação de protocolos de ótica quântica utilizando uma fonte de estados emaranhados que é compatível tanto com sistemas atômicos de Rubídio quanto com a região de telecomunicações, formando assim uma rede quântica de transferência e aprisionamento de informação.