Topological order is a new field of research involving exotic physics. Among other things it has been suggested as a means for realising fault-tolerant quantum computation. Topological degeneracy, i.e. the ground state degeneracy of a topologically ordered state, is one of the quantities that have been used to characterize such states. Topological order has also been suggested as a possible quantum information storage. We study two-dimensional lattice models defined on a closed manifold, specifically on a torus, and find that these systems exhibit topological degeneracy proportional to the genus of the manifold on which they are defined. We also find that the addition of lattice dislocations increases the ground state degeneracy, a behaviour that can be interpreted as artificially increasing the genus of the manifold. We derive the fusion and braiding rules of the model, which are then used to calculate the braiding properties of the dislocations themselves. These turn out to resemble non-abelian anyons, a property that is important for the possibility to achieve universal quantum computation. One can also emulate lattice dislocations synthetically, by adding an external field. This makes them more realistic for potential experimental realisations. / Topologisk ordning är ett nytt område inom fysik som bland annat verkar lovande som verktyg för förverkligandet av kvantdatorer. En av storheterna som karakteriserar topologiska tillstånd är det totala antalet degenererade grundtillstånd, den topologiska degenerationen. Topologisk ordning har också föreslagits som ett möjligt sätt att lagra kvantdata. Vi undersöker tvådimensionella gittermodeller definierade på en sluten mångfald, specifikt en torus, och finner att dessa system påvisar topologisk degeneration som är proportionerlig mot mångfaldens topologiska genus. När dislokationer introduceras i gittret finner vi att grundtillståndets degeneration ökar, något som kan ses som en artificiell ökning av mångfaldens genus. Vi härleder sammanslagningsregler och flätningsregler för modellen och använder sedan dessa för att räkna ut flätegenskaperna hos själva dislokationerna. Dessa visar sig likna icke-abelska anyoner, en egenskap som är viktiga för möjligheten att kunna utföra universella kvantberäkningar. Det går också att emulera dislokationer i gittret genom att lägga på ett yttre fält. Detta gör dem mer realistiska för eventuella experimentella realisationer.

<p>Strong coupling between light and matter has been demonstrated both in classical</p><p>cavity quantum electrodynamics (QED) systems and in more recent circuit-QED</p><p>experiments. This enables the generation of strong nonlinear photon-photon interactions</p><p>at the single-photon level, which is of great interest for the observation</p><p>of quantum nonlinear optical phenomena, the control of light quanta in quantum</p><p>information protocols such as quantum networking, as well as the study of</p><p>strongly correlated quantum many-body systems using light. Recently, strong</p><p>coupling has also been realized in a variety of one-dimensional (1D) waveguide-</p><p>QED experimental systems, which in turn makes them promising candidates for</p><p>quantum information processing. Compared to cavity-QED systems, there are</p><p>two new features in waveguide-QED: the existence of a continuum of states and</p><p>the restricted 1D phase space, which together bring in new physical effects, such</p><p>as the bound-state effects. This thesis consists of two parts: 1) understanding the</p><p>fundamental interaction between local quantum objects, such as two-level systems</p><p>and four-level systems, and photons confined in the waveguide; 2) exploring</p><p>its implications in quantum information processing, in particular photonic</p><p>quantum computation and quantum key distribution.</p><p>First, we demonstrate that by coupling a two-level system (TLS) or three/fourlevel</p><p>system to a 1D continuum, strongly-correlated photons can be generated</p><p>inside the waveguide. Photon-photon bound states, which decay exponentially as a function of the relative coordinates of photons, appear in multiphoton scattering</p><p>processes. As a result, photon bunching and antibunching can be observed</p><p>in the photon-photon correlation function, and nonclassical light source can be</p><p>generated on demand. In the case of an N-type four-level system, we show</p><p>that the effective photon-photon interaction mediated by the four-level system,</p><p>gives rise to a variety of nonlinear optical phenomena, including photon blockade,</p><p>photon-induced tunneling, and creation of single-photon states and photon</p><p>pairs with a high degree of spectral entanglement, all in the absence of a cavity.</p><p>However, to enable greater quantum networking potential using waveguide-</p><p>QED, it is important to study systems having more than just one TLS/qubit.</p><p>We develop a numerical Green function method to study cooperative effects in</p><p>a system of two qubits coupled to a 1D waveguide. Quantum beats emerge in</p><p>photon-photon correlations, and persist to much longer time scales because of</p><p>non-Markovian processes. In addition, this system can be used to generate a</p><p>high-degree of long-distance entanglement when one of the two qubits is driven</p><p>by an on-resonance laser, further paving the way toward waveguide-QED-based</p><p>quantum networks.</p><p>Furthermore, based on our study of light-matter interactions in waveguide-</p><p>QED, we investigate its implications in quantum information processing. First,</p><p>we study quantum key distribution using the sub-Possonian single photon source</p><p>obtained by scattering a coherent state off a two-level system. The rate for key</p><p>generation is found to be twice as large as for other sources. Second, we propose</p><p>a new scheme for scalable quantum computation using flying qubits--propagating</p><p>photons in a one-dimensional waveguide--interacting with matter qubits. Photonphoton</p><p>interactions are mediated by the coupling to a three- or four-level system,</p><p>based on which photon-photon -phase gates (Controlled-NOT) can be implemented for universal quantum computation. We show that high gate fidelity is</p><p>possible given recent dramatic experimental progress in superconducting circuits</p><p>and photonic-crystal waveguides. The proposed system can be an important</p><p>building block for future on-chip quantum networks.</p> / Dissertation

This thesis describes experimental work towards developing a trapped ion quantum information processor. An existing ion trap apparatus was capable of trapping and laser-cooling single ions or small ion strings of 40 Ca+, and had been used for studies of quantum jumps and natural lifetime measurements in Ca. This thesis describes improvements in this apparatus, which have allowed the stability and the flexibility of experimental control of the ions to be greatly increased. This enabled experiments to read out the spin state of a single trapped ion, and to load ions with isotope selectivity through photoionization. The optical systems were improved by installation of new lasers, optical reference cavities, and a system of acousto-optic modulators for laser intensity switching and frequency control. The photon counting for fluorescence detection was improved, and a new photon time-of-arrival correlation circuit developed. This has permitted rapid and more sensitive detection of micromotion, and hence cancellation of stray fields in the trap. A study of resonant circuits in the low RF, high voltage (10 MHz, 1 kV) regime was carried out with a view to developing a new RF supply for the Paul trap with reduced noise and increased power. A new supply based on a helical resonator was built and used to trap ions. This technique has reduced noise and will permit higher secular frequencies to be attained in the future. A magnetic field B in the ion trap is used to define a quantization axis, and in one series of experiments was required to be of order 100 G to provide a substantial Zeeman splitting. A set of magnetic field coils to control the size and direction of B is described. The design of these posed some problems owing to an unforseen issue with the vacuum chamber. In short, it is magnetizable and acts to first approximation like a magnetic shield. The field coils had to be sufficiently substantial to produce the desired field at the ion even in the presence of this shielding effect, and dark resonance (and other) spectra with Zeeman splitting were obtained to calibrate the field using the ion as a probe. Finally, the thesis describes the successful loading of the ion trap by laser photoionization from a weak atomic beam. This involved two new lasers at 423 nm and 389 nm. Saturated absorption spectroscopy of neutral calcium is first described, then transverse excitation of an atomic beam in our vacuum chamber is used to identify all the main isotopes of calcium and confirm their abundances in our source (a heated sample of natural calcium). Finally, photoionization is used to load the trap. This has three advantages over electron-impact ionization. By avoiding an electron gun, we avoid charging of insulating patches and subsequent electric field drift as they discharge; the flux in the atomic beam and hence calcium (and other) deposits on the electrodes can be greatly reduced; and most importantly, the photoionization is isotope selective. Evidence is presented which suggests that even with an non-enriched source, the rare isotope 43 Ca can be loaded with reasonable efficiency. This isotope is advantageous for quantum information experiments for several reasons, but chiefly because its ground state hyperfine structure can act as a stable qubit.

Orientador: Anna Diva Plasencia Lotufo / Resumo: A lógica de múltiplos valores, em especial a ternária, apresenta inúmeras vantagens sobre a lógica binária em circuitos reversíveis/quânticos. A realização de funções usando a lógica reversível ternária é conhecida por requerer um menor número de linhas em comparação com a lógica reversível binária convencional. Este aspecto tem motivado as pesquisas em abordagens de síntese. A grande maioria dos métodos existentes requerem entradas adicionais, denominadas de ancillary lines, durante o processo de síntese, o que é dispendioso para implementação em tecnologias quânticas, quando disponíveis. Neste trabalho, foram propostas diferentes metodologias e análises comparativas para o problema da síntese de circuitos reversíveis ternários sem a adição de ancillary lines. A metodologia de síntese proposta, denominada de MMD plus, foi aplicado nos modos backward e top-down como referência a todas as 362880 possíveis funções reversíveis ternárias de 2 variáveis. Além do processamento top-down originário do algoritmo MMD, um processamento bottom-up é implementado e sua eficiência comparativa é avaliada. Por definição, as funções reversíveis ternárias são permutações. Realiza-se a decomposição das permutações em ciclos disjuntos de ordem natural, em ciclos de permutação com 3 elementos, e em transposições, para obtenção dos circuitos reversíveis ternários. Uma métrica é introduzida para mensurar a complexidade e custo dos circuitos, com base nas portas reversíveis de múltiplos valores Muthu... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

We present an efficient quantum algorithm for the Hidden Subgroup Problem (HSP) on the semidirect product of the cyclic groups and , where is any odd prime number, and are positives integers and the homomorphism which defines the group is given by the root such that . As a consequence we can solve efficiently de HSP on the semidirect product of the groups by , where has a special prime factorization. / Neste trabalho apresentamos um algoritmo quântico eficiente para o Problema do Subgrupos Oculto (PSO) no produto semidireto dos grupos cíclicos e , onde é qualquer número primo ímpar, e são inteiros positivos e o homomorfismo que define o grupo é dado por uma raiz para a qual . Como conseqüência, podemos resolver eficientemente o PSO também no produto semidireto dos grupos por , onde o inteiro possui uma especial fatoração prima.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:03:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5626.pdf: 4248183 bytes, checksum: 7d8ae00ff3fcc425816cbd40abf479cb (MD5) Previous issue date: 2010-08-27 / Universidade Federal de Sao Carlos / Quantum computation is a way to perform the computation based on the quantum physics. Since it is appeared in 1985, it promises a revolution in the data processing. Works that had already been done prove that quantum computation, regarding its features that comes from quantum physics, provides a better power computation than the classical computation. The goal of this work is to develop a quantum circuit that performs the correlation of the BDA (Brazilian Decimetric Array), a radiointerferometer that has been developed by INPE (National Institute of Space Research) to visualize cosmic objects through the detection of radiofrequencies radiated by these objects. It was studied some possible quantum circuits and made comparisons with the classical correlator circuit used in BDA. The comparison was made with respect to the number of operations needed to process the correlation in a integration period of 100 ms. The results show that the developed quantum correlator circuit uses less operations than the classical one, proving that the developed quantum circuit is more efficient than the corresponding classical circuit. / A computação quântica é uma forma de realizar a computação com base na física quântica. Desde seu surgimento em 1985, ela promete revolucionar a forma de processar os dados. Trabalhos já desenvolvidos provam que a computação quântica, dadas suas características só encontradas graças à física quântica, oferece um poder de processamento superior à computação clássica (computação convencional). O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um circuito quântico que realiza a correlação dos sinais para o Arranjo Decimétrico Brasileiro (BDA), um radiointerferômetro que está sendo desenvolvido pelo INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) com o objetivo de visualizar objetos celestes por meio da detecção de radiofrequências emitidas pelos mesmos. Foram estudados alguns possíveis circuitos quânticos e os mesmos foram comparados com o circuito convencional utilizado no BDA, quanto a quantidade de operações necessárias para se realizar a correlação, durante um período de integração de 100 ms. Os resultados mostram que o circuito quântico proposto necessita de uma quantidade menor de operações em relação ao circuito convencional. Assim, o circuito quântico proposto é mais eficiente que o circuito convencional.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:24:01Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-04-30Bitstream added on 2014-06-13T18:51:25Z : No. of bitstreams: 1 brandao_c_me_sjrp.pdf: 2464888 bytes, checksum: 22ba55e346e2ad76af2e1695d3998ff4 (MD5) / Nesta dissertação, além da apresentação de um ensaio teórico sobre a fundamentação da Mecânica Quântica, Computação, Informação Quântica, Criptografia e Entropias Quânticas, serão mostradas, de forma inédita, algumas implementações sobre o efeito da Entropia no Emaranhamento Quântico, importante para processos de transmissão da Informação Quântica, com o uso dos programas Mathematica e Matlab. Primeiramente e apresentado um breve histórico sobre a Computação Quântica e a Informação Quântica, junto com uma perspectiva do futuro. Logo em seguida uma breve introdu cão sobre a Mecânica Quântica, com o estudo de autovetores e autovalores e seus postulados, produtos tensoriais e o micro-universo. Na sequência um texto sucinto com os conceitos fundamentais da Computação Quântica como os bits quânticos, e portas lógicas. Além dos principais algoritmos quânticos. Depois passa-se a estudar a Informa ção Quântica, as operações quânticas, canais de inversão e polarização, para então chegar-se a Entropia, quando e feito um estudo comparativo entre as entropias de Von Neumann e Tsallis. E por fim um pouco de Criptografia Quântica. / In this dissertation, beyond the presentation of a theoretical essay on the basis of the Quantum Mechanics, Computation, Quantum information, Quantum Criptografy and Entropies, it will also be shown, for rst time, some implementations on the e ect of the Entropy tests on Quantum Entanglement for processes of transmission of Quantum Information, through the uses Mathematica and Matlab Programs. First I present a historical brie ng on the Quantum Computation and Quantum Information, together with a perspective of the future. Afterwards it will shown on introduction on the Quantum Mechanics, and its postulates, and the micro-universe. In sequence, a brief text with the fundamental concepts of the Quantum Computation, as the quantum bits, logic gates, and the main quantum algorithms. Later we will start to study Quantum Information, the quantum operations, channels of inversion and polarization. Furthermore we will go to discuss Entropy, where it is made a comparative study of Entropies of Von Neumann and Tsallis. And nally a little of Quantum Criptografy will be worked out.

Orientador: Manoel Ferreira Borges Neto / Banca: Waldir Leite Roque / Banca: José Márcio Machado / Resumo: Nesta dissertação, além da apresentação de um ensaio teórico sobre a fundamentação da Mecânica Quântica, Computação, Informação Quântica, Criptografia e Entropias Quânticas, serão mostradas, de forma inédita, algumas implementações sobre o efeito da Entropia no Emaranhamento Quântico, importante para processos de transmissão da Informação Quântica, com o uso dos programas Mathematica e Matlab. Primeiramente e apresentado um breve histórico sobre a Computação Quântica e a Informação Quântica, junto com uma perspectiva do futuro. Logo em seguida uma breve introdu cão sobre a Mecânica Quântica, com o estudo de autovetores e autovalores e seus postulados, produtos tensoriais e o micro-universo. Na sequência um texto sucinto com os conceitos fundamentais da Computação Quântica como os bits quânticos, e portas lógicas. Além dos principais algoritmos quânticos. Depois passa-se a estudar a Informa ção Quântica, as operações quânticas, canais de inversão e polarização, para então chegar-se a Entropia, quando e feito um estudo comparativo entre as entropias de Von Neumann e Tsallis. E por fim um pouco de Criptografia Quântica. / Abstract: In this dissertation, beyond the presentation of a theoretical essay on the basis of the Quantum Mechanics, Computation, Quantum information, Quantum Criptografy and Entropies, it will also be shown, for rst time, some implementations on the e ect of the Entropy tests on Quantum Entanglement for processes of transmission of Quantum Information, through the uses Mathematica and Matlab Programs. First I present a historical brie ng on the Quantum Computation and Quantum Information, together with a perspective of the future. Afterwards it will shown on introduction on the Quantum Mechanics, and its postulates, and the micro-universe. In sequence, a brief text with the fundamental concepts of the Quantum Computation, as the quantum bits, logic gates, and the main quantum algorithms. Later we will start to study Quantum Information, the quantum operations, channels of inversion and polarization. Furthermore we will go to discuss Entropy, where it is made a comparative study of Entropies of Von Neumann and Tsallis. And nally a little of Quantum Criptografy will be worked out. / Mestre

Este trabalho consiste na análise de um método de reconstrução/tomografia de estado quântico em ressonância magnética nuclear utilizando pulsos de radiofreqüência não-seletivos, que possuem a propriedade de promover rotações globais do sistema de spins 7/2. Tal método foi aplicado para reconstruir estados relacionados à computação quântica. As operações lógicas e os estados iniciais envolvidos nas operações quânticas foram construídos através de pulsos modulados optimizados numericamente; o processo de optimização, em particular, não foi tratado nesse trabalho. Foram elaborados programas que simulam: a construção dos estados e portas lógicas utilizando os parâmetros dos pulsos modulados; a aplicação dos pulsos de tomografia e a geração dos dados necessários à reconstrução (amplitudes espectrais); construção de estados utilizando pulsos simples para testes das circunstâncias experimentais; o efeitos de possíveis problemas relacionados à amostra ou ao equipamento. Finalmente, foi elaborado um programa para reconstrução do estado a partir da leitura das amplitudes espectrais, que podem ser obtidas a partir dos programas relacionados no segundo item, ou experimentalmente. As implementações experimentais foram realizadas medindo sinais de RMN de núcleos de 133Cs, localizados em um cristal líquido, que, por possuírem spin 7/2, devido às interações Zeeman e quadrupolar elétrica, apresentam sete linhas espectrais distintas para transições entre níveis energéticos adjacentes; logo, é possível tratar esses núcleos como sistemas de 3 q-bits. Foram construídos estados pseudo-puros e aplicada uma das portas Toffoli. Além disso, uma discussão do algoritmo quântico de busca de Grover no contexto da Ressonância Magnética Nuclear é apresentada para uma futura implementação. / This work describes a quantum state tomography method in nuclear magnetic resonance using nonselective radiofrequency pulses that cause global rotations of spin 7/2 systems. This method was applied to tomograph states related to quantum computation. Numerically optimized modulated pulses allowed building the initial states and the logical operations involved in the quantum operations; particularly, the optimization process was not treated in this work. Several programs were constructed that simulate: o the construction of the quantum states and the logical operations by means of the modulated pulses parameters; o the application of the tomography pulses and the generation of the necessary data for tomography (spectral amplitudes); o the construction of the states using simple pulses for experimental condition tests; o the effects of possible problems related to the samples or equipments. Finally, a quantum state tomography program was elaborated to read the spectral amplitudes, which can be obtained from the programs related to the second item, or experimentally. The experimental implementations were performed measuring the NMR signals from spin 7/2 133Cs nuclei located in a liquid crystal under Zeeman and quadrupolar electric interactions. The NMR spectrum of these nuclei, under these interactions and located in an oriented sample, present 7 spectral lines for transitions between adjacent energetic levels; with this, it is possible to treat it like a 3 q-bits system. Pseudo-pure states were constructed and one Toffoli gate was applied. Furthermore, a discussion about the Grover\'s quantum search algorithm in the nuclear magnetic resonance context was presented for future implementation.

Submitted by (ana.araujo@ufrpe.br) on 2016-08-09T14:23:02Z No. of bitstreams: 1 Patricia Silva Nascimento.pdf: 1820001 bytes, checksum: f1196e1a5ad73d884c17e09610faf980 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-09T14:23:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Patricia Silva Nascimento.pdf: 1820001 bytes, checksum: f1196e1a5ad73d884c17e09610faf980 (MD5) Previous issue date: 2011-02-21 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Quantum computing is a recent area of research that encompasses three known areas: mathematics, physics and computing. With the research in quantum algorithms came the need to understand and express such algorithms in terms of programming. Several languages and programming models for high-level quantum have been proposed in recent years. Quantum mechanics (QM) is a set of mathematical rules that serve for the construction of physical theories, from its inception until the present day it has been applied in various branches. In this context we developed the Quantum Computation, perhaps the most spectacular proposal for practical implementation of QM. The difficulty in developing quantum algorithms provides the use of alternative techniques to the solution of purely algorithmic problems, such as machine learning and genetic algorithms. Carlo Trugenberger proposes a model of quantum associative memory which binary patterns of n bits are stored in a quantum superposition of an appropriate subset of the computational basis of n qubits. This model solves the problem of insufficient capacity of the well known classical associative memory, providing a large improvement in capacity. The distribution proposed by Trugenberger uses the Hamming distance, where the amplitudes have a peak in the stored patterns, which has smaller distance from the entrance. The accuracy of pattern recognition can be adjusted by the parameter b, in other words increasing b increases the probability of recognition. This study examines the genetic diversity of stingless bees Melipona quinquefasciata, obtained from several wild colonies in different localities of the Chapada do Araripe-CE, Chapada da Ibiapaba-CE, city’s Canto do Buriti-PI and Luziânia-GO. DNA sequences were processed by replacing A by 00, G by 01, C by 10 and T by 11. The results show that this probability is very efficient to recognize the patterns of DNA sequences of the stingless bees Melipona quinquefasciata regions 18S and ITS1 partial. The algorithm is not computationally efficient on a classical computer, but is extremely efficient on a quantum computer. It was concluded that this method of recognition of quantum standards is better than the classic method used by Pereira. / A computação quântica é uma área de pesquisa recente que engloba três áreas conhecidas: matemática, física e computação. Com as pesquisas na área de algoritmos quânticos veio a necessidade de entender e expressar tais algoritmos do ponto de vista de programação. Diversas linguagens e modelos para programação quântica de alto nível têm sido propostas nos últimos anos. A Mecânica Quântica (MQ) é um conjunto de regras matemáticas que servem para a construção de teorias físicas, desde a sua criação até os dias de hoje ela tem sido aplicada em diversos ramos. Neste contexto se desenvolveu a Computação Quântica, talvez a mais espetacular proposta de aplicação prática da MQ. A dificuldade de se desenvolver algoritmos quânticos propicia o uso de técnicas alternativas à solução de problemas puramente algorítmica, como por exemplo o aprendizado de máquinas e algoritmos genéticos. Carlo Trugenberger propõe um modelo de memória quântica associativa onde os padrões binários de n bits são armazenados em superposição com um subconjunto apropriado da base computacional de n qubits. Este modelo resolve o problema de escassez de capacidade bem conhecida da memória clássica associativa,provendo uma melhoria grande em capacidade. A distribuição proposta por Trugenberger usa a distância de Hamming, em que as amplitudes tem um pico nos padrões armazenados, que tem menor distância em relação à entrada. A precisão do reconhecimento de padrões pode ser ajustado por um parâmetro b, isto é, aumentando b aumenta a probabilidade de reconhecimento. Este trabalho analisa a diversidade genética das abelhas sem ferrão Melipona quinquefasciata, obtidas de várias colônias silvestres, em localidades distintas da Chapada do Araripe-CE, Chapada da Ibiapaba-CE, cidade do Canto do Buriti-PI e Luziânia-GO. As sequências de DNA foram transformados substituindo A por 00, G por 01, C por 10 e T por 11. Os resultados mostram que essa probabilidade é muito eficiente para reconhecer os padrões de sequências de DNA das abelhas sem ferrão Melipona quinquefasciata das regiões 18S e ITS1 parcial. O algoritmo não é computacionalmente eficiente em um computador clássico, mas será extremamente eficiente em um computador quântico. Concluiu-se que este método de reconhecimento quântico de padrões é melhor que o método clássico utilizado por Pereira.