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.

Descrevemos as propriedades dos chamados operadores desordem ou de criacao de excitacoes topologicas no contexto da teoria quantica de campos no continuo. No caso de excitacoes do tipo vortice, no modelo de higgs abeliano em 2+1d, obtemos explicitamente as funcoes de correlacao assim como o espectro de massa, em t=0 e tDIFERENTE0, dessa excitacao topologica. A generalizacao para campos nao-locais de monopolos em 3+1d e para solitons em dimensao arbitraria e discutida assim como aplicacoes do formalismo de operadores ordem-desordem em teorias de bosonizacao e chern-simons. / The properties of the disorder or topological excitations creation operators in the context of continuum quantum field theory are described. In the Abelian Higgs Model in 2+ 1D, explicit expressions to the vortex correlation function and to the vortex mass spectrum at T=0 and T0 are obtained. Generalizations to nonlocal monopoles fields in 3+1D, solitons in arbitrary dimensions and applications of the order-disorder formalism to bosonization and Chern-Simons Theories are discussed.

Usando teoria de perturbação, fizemos uma análise detalhada da divergência infravermelha em 4ª ordem do processo de aniquilação do par elétron-pósitron. Mostramos que o teorema de Bloch-Nordsieck garante o cancelamento destas divergências em QED. Em seguida, consideramos um processo em QCD com duas partículas coloridas no estado inicial, somando sobre as cores destas duas partículas. O processo escolhido foi o de aniquilação do par quark-anti-quark. O processo em 4ª ordem de perturbação e mostramos neste caso que o Teorema de Block-Nordsieck não se verifica. Este resultado é consequência do fato desta teoria ter um caráter não-abeliano. O não-cancelamento das divergências infravermelhas significa que a natureza do estado ligado é fundamental para o uso consistente da teoria de perturbação na QCD. / Using pertubation theory, we made a detailed analysis of the infrared divergencies to the 4th order for the phocess of annihilation of the pair electron-positron. We showed that the Bloch-Nordsieck theorem guarantees the cancellation of these divergencies in QED. Then we considered a process in QED involving two coloured particles in the initial state, summing over the colours of these particles. The process chosen was the annihilation of the pair quark-anti-quark. We calculated the process to the 4ª order in perturbation theory, and showed that in this case the Bloch-Nordsieck theorem in not verified. This result is a consequence of the fact that this theory has a non-abelian caracter. The non-cancellation of the infrared divergencies signifies that the nature of the bound-state is fundamental for the consistent use of perturbation theory in QCD.

Nesta tese estudamos algumas propriedades da eletrodinamica em 2+1 dimensoes. Perturbativamente, esta teoria e inconsistente, devido a ocorrencia de fortes divergencias infravermelhas. E mostrado que tal problemas pode ser sanado quando efeitos nao perturbativos de polarizacao do vacuo sao incorporados, promovendo a melhoria do comportamento infravermelho da teoria. Isto e decorrente da geracao de um termo de chern-simons. Analisamos, tambem, a existencia de estados ligados fermion-fermion, a qual pode ser relevante no contexto da supercondutividade a altas temperaturas. Alem disso, obtemos a contribuicao para o momento magnetico anomalo do fermio vinda da correcao de vertice. Uma motivacao para este trabalho advem de estudos feitos originalmente para o modelo de thirring em 2+1 dimensoes, os quais sao apresentados na parte inicial desta tese. / In this thesis we study some properties of electrodynamics in 2+ 1 dimensions. Perturbatively, inconsistencies appear, due to strong infrared divergencies. It is shown that this problem can be overcome when vacuum polarization effects are nonperturbatively incorporated, leading to a better infrared behavior of the theory. This is a consequence of the generation of a Chern-Simons term. Also, we analyse the existence of fermion-fermion bound states, which may be relevant for high-Tc superconductivity. Furthermore, from the vertex corrections we determine the contribution for the fermion anomalous magnetic moment. A motivation for this work comes from earlier studies in the context of the 2+ 1 dimentional Thirring model. Those studies are presented in the initial part of this thesis.

É efetuado o estudo de alguns modelos em TQC em 2 e 3 dimensões espaço-temporais. Em 2D são analisados os modelos de Thirring, Thirring SU (2) e Schiwinger, dando enfoque especial à dedução das equações de movimento através de suas soluções bosonizadas. É mostrado que a existência de um termo de massa explícito nas equações de movimento renormalizadas, em geral depende do valor da constante de acoplamento. Em 3 D, é utilizado o procedimento de Integração Funcional para obter equivalências entre modelos da TQC. Para a Lagrangiana de dois campos vetoriais - um Auto-dual e um de Maxwell-Simons - acoplados com férmions, é mostrado que o cálculo do determinante fermiônico, em regime de acoplamento fraco, leva a uma teoria não local de campos bosônicos. Por fim, é feita uma comparação entre os resultados obtidos em 2 e 3 dimensões / The study of some TQC models in 2 and 3 space-time dimensions is done. In 2D the models of Thirring, Thirring SU (2) and Schiwinger are analyzed, giving special focus to the deduction of the equations of movement through their bosonized solutions. It is shown that the existence of an explicit mass term in the renormalized equations of motion generally depends on the value of the coupling constant. In 3 D, the Functional Integration procedure is used to obtain equivalences between TQC models. For the Lagrangian of two vector fields - an Auto-dual and one of Maxwell-Simons - coupled with fermions, it is shown that the calculation of the fermionic determinant in a weak coupling regime leads to a non-local theory of bosonic fields. Finally, a comparison between the results obtained in 2 and 3 dimensions

Tratamos vários modelos que descrevem a interação entre dois subsistemas quânticos. Mostramos que dois deles são exatamente soluveis, achamos as soluções correspondentes e mostramos a relação das propriedades espectrais do banho com a decoerência. Fazemos uma análise crítica do uso de liouvillianos com forma de Lindblad e de liouvillianos obtidos através da aproximação de Born-Markov, empregando entre outras coisas os resultados dos modelos exatos. Propomos novos esquemas de aproximação que descrevem com exatidão o regime de tempos curtos e o acoplamento de dois sistemas \"pequenos\", e os testamos com os modelos exatamente solúveis antes discutidos. Fazemos aplicações aos sais orgânicos de transferência de carga, a um experimento de produção de gatos e da observação de sua decoerência subsequente e às zonas de Ramsey empregadas perifericamente nesta experiência. / Several models describing the interaction between two quantum systems are examined. The exact solution of two of them is found and the relation between the bath\'s spectral properties and decoherence is shown. Using these results and several others, we analyze the use of both Lindbland-form and Born-Markov liouvillians. New approximation schemes, appropriate for short times and small subsystems, are proposed and tested (using the above mentioned exact models). Applications are made to the treatment of organic salts, to the analysis of a recently reported experiment of production of cat states and observation of its subsequent decoherence, and to the understanding of the Ramsey zones, peripherically used in this experience.

O papel das medidas de complexidade tem se tornado cada vez mais claro na extensão da compreensão que se tem sobre sistemas complexos. Todavia, apesar do grande número de medidas propostas para capturar tais características em sistemas clássicos, para sistemas quânticos somente vê-se extensões da complexidade algorítmica de Kolmogorov. Assim, propõe-se neste trabalho a extensão de três medidas de complexidade pelo uso do ferramental da teoria da informação quântica para torná-las capazes de compreender a quantificação da complexidade de estados quânticos. Resultados mostram que alguns fenômenos observados em sistemas complexos clássicos estão presentes em estados bipartite e tripartite de qubits e estão intimamente ligados com a presença de entrelaçamento nos mesmos. Tanto comprovação de conceitos já conhecidos como indícios de novos fenômenos foram observados, ambos com possíveis aplicações tecnológicas. / The role of complexity measures has become increasingly clear on the extent of understanding we have of complex systems. However, despite the large number of measures proposed to capture these characteristics in classical systems, to quantum systems there are only extensions of the Kolmogorov\'s algorithmic complexity. Thus, this work proposes the extension of three measures of complexity by using the tools of quantum information theory to make them able to understand the quantification of the complexity of quantum states. Results show that some phenomena observed in classical complex systems are present in bipartite and tripartite states of qubits and are closely linked with the presence of entanglement in them. Both proof of known concepts as signs of new phenomena were observed, with possible technological applications.

Estudamos um modelo exatamente solúvel para um condensado de Bose- Einstein hetero-atômico molecular. Começamos por uma revisão da integrabilidade do modelo através da álgebra de Yang-Baxter. Usando uma analise clássica, determinamos os pontos fixos do espaço de fase do sistema. Encontramos bifurcações dos pontos fixos que separam o espaço de parâmetros em diferentes regiões. Dois cenários distintos emergem, dependendo do número de átomos de espécies diferentes ser igual ou não. Este resultado sugere que as propriedades do estado fundamental do sistema exibem uma sensibilidade incomum a diferença hetero-atômica. Confirmamos esta indicação através de analises quânticas usando diferentes métodos, tais como o gap de energia, fidelidade, emaranhamento e o comportamento das soluções das equações do ansatz de Bethe para o estado fundamental. / We study an exactly solvable model for hetero-atomic-molecular Bose- Einstein condensates. We start by revisiting the integrability of the model trhough the Yang-Baxter algebra. Using a classical analysis we determine the phase space fixed points of the system. It is found that bifurcations of the fixed points naturally separate the coupling parameter space in different regions. Remarkably, two distinct scenarios emerge, depending if the number of atoms of different species is equal or not. This result suggests the groundstate properties of the model exhibit an unusual sensitivity on the atomic imbalance. We then confirm this finding by a quantum analysis using different approaches, such as the energy gap, the fidelity, the entanglement and the behaviour of the ground-state solutions of the Bethe ansatz equations.

Uma quantização consistente da cromodinãmica num gau ge axial completamente fixado é realizada usando o procedimen to de quantização por parênteses de Dirac. Os resultados centrais são: A translação de parênteses de Dirac a comutadores a tempos iguaiS é possível, sem ambigüidades, devido ã ausência de problemas de ordenamento. Todos os comutadores a tem pos iguais são compatíveis com os vínculos e condições de gau ge valendo como identidades operatoriais fortes. Todos os comutadores a tempos iguais são compatíveis com os campos cromo elétricos, cromomagnéticos e fermiõnicos anulando-se no infi nito espacial. Os potenciais de gauge coloridos A° ,a , A l ma e A 2'a apresentam um comportamento fisicamente significativo, embora do tipo gauge puro, em x 3 = ±-,conforme exigido pela presença de um conteúdo topolõgico não-trivial. A invariança de Poincaré é satisfeita sem introduzir potenciais quanto-meã nicos "extras" no Hamiltoniano. O determinante da matriz de Faddeev-Popov não depende das vari-a- veis de campo. / A consistent quantization of chromodynamics in a completely fixed axial gauge is carried out by using the Dirac bracket quantization procedure. The main results are: The translation of Dirac brackets into equal-time commutators is possible, with6ut ambiguities, because of the absence of ordering problems. All equal-time commutators are compatible with constraints and gauge conditions holding as strong operator relations. All equal-time commutators are compatible with chromoelectric, chromomagnetic and fermionic fields vanishing at spatial infinity. The colored gauge potentials A o,a , A l,a and A2 'a are seen to devei op a physically significant, although pure gauge, behavior at x 3 = ±=, as required by the presence of a non-trivial topological content. Poincare invariance is satisfied without introducing in the Hamiltonian "extra" quantum mechanical potentials. The determinant of the Faddeev-Popov matrix does not depend upon the field variables.

Este trabalho tem o objetivo de mostrar que é possível inserir um tema de Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio, a saber, algumas noções de Mecânica Quântica. O estudo foi realizado com alunos de 3º ano do Ensino Médio de uma escola pública estadual de Porto Alegre, Brasil; foram abordados somente conceitos de Mecânica Quântica, usando poucas fórmulas matemáticas de fácil assimilação. Conceitos da aprendizagem significativa de Ausubel e Novak foram usados como referencial teórico deste estudo e a noção de Perfil Epistemológico, de Gaston Bachelard, como referencial epistêmico. Foi feita uma análise quantitativa e qualitativa das respostas desses alunos usando testes e esquemas conceituais. Não houve grupo de controle, pois este assunto não é trabalhado, em qualquer período do ano letivo, em nenhuma turma da escola. Os resultados dessa análise sugerem que é, de fato, possível abordar tópicos de Física Moderna e Contemporânea no Ensino Médio. / This work aims to show that is possible to insert a topic of modern and contemporary physics at high school level, specifically some notions of quantum mechanics. The study was carried out with third grade high school students from a public state school at Porto Alegre, Brazil, using just a few mathematical equations quite easy to assimilate. Concepts from the meaningful learning theory of Ausubel and Novak were used as theoretical framework whereas Bachelard’s notion of epistemological profile was used as epistemological reference. A quantitative and qualitative analysis of students’ answers to written quizzes and conceptual schemes was done.There was no control group since this subject is not approached with any other group of students in this school. Research findings presented at the end suggest that, indeed, it is possible to deal with notions of modern and contemporary physics at high school level.