Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6443.pdf: 20882998 bytes, checksum: 7883d8d4dfed9bd22e1d6254b2cf3493 (MD5) Previous issue date: 2014-12-12 / Universidade Federal de Sao Carlos / In this Thesis we study in details one of the most astonishing application of quantum mechanics which totally departs from our common sense: quantum teleportation in continuous variables. We present a review of the postulates of quantum mechanics and quantum optics systems, in particular for Gaussian systems. After this review we apply these postulates in order to present one of the most counter intuitive applications of quantum mechanics, namely, the quantum teleportation protocol. We study in detail this protocol and we propose modifications in its construction aiming at an improvement in its efficiency. These modifications were made in order to take into account the realistic situations encountered in the implementation of the protocol, i.e., the fact that the entanglement, between Alice and Bob, is never perfect and the fact that states teleported by Alice are near the vacuum state. After this analysis we performed an extension of the teleportation protocol by proposing a multi-channel protocol and studied the case of two channels in parallel. Finally, we created the first quantum cryptography protocol that uses the continuous variables teleportation protocol in an active way. We showed that this protocol is robust to the beam splitter attack and that this protocol is the only one working with direct reconciliation and without post-selection over the 50% loss scenario. / Nesta Tese estudamos em detalhes uma das aplicações da mecânica quântica que mais destoa de nosso senso comum: o teletransporte quântico em variáveis Contínuas. Apresentamos uma revisão dos postulados da mecânica quântica e dos sistemas da óptica quântica, em especial sistemas que realizam operações Gaussianas. Após essa revisão aplicamos esses postulados no que resulta na aplicação mais contra intuitiva da mecânica quântica, o teletransporte quântico. Estudamos com detalhes o protocolo de teletransporte e propomos modificações em sua construção visando maximizar a sua eficiência. Estas modificações foram feitas a fim de levar em conta as situações realistas encontradas em sua implementação, qual sejam, o fato de o emaranhamento entre Alice e Bob nunca ser perfeito e o fato de que os estados teletransportados por Alice estarem próximos do estado de vácuo. Após essa análise realizamos uma extensão do protocolo de teletransporte em variáveis contínuas propondo um protocolo de multicanais e estudamos em detalhes o caso de dois canais em paralelo. Por fim, criamos o primeiro protocolo de criptografia quântica que utiliza o teletransporte em variáveis contínuas de forma ativa. Mostramos que esse protocolo é robusto ao ataque de divisor de feixes, sendo o único que funciona com reconciliação direta e sem a necessidade de pós-seleção para perdas superiores a 50%.

Investigamos as propriedades quânticas dos feixes de luz produzidos pelo oscilador paramétrico ótico (OPO) acima do limiar, tanto experimental quanto teoricamente. Apresentamos a primeira medida de emaranhamento entre os feixes gêmeos, sinal e complementar. Estes podem possuir frequências óticas muito distintas, correspondentes a centenas de nanometros em comprimento de onda. O emaranhamento entre duas cores possibilita transferir informação quântica entre diferentes regiões do espectro eletromagnético. A demonstração experimental do emaranhamento foi realizada mostrando que a soma de variâncias de observáveis tipo EPR dos campos, a subtração de intensidades e a soma das fases dos feixes, viola uma desigualdade que deve ser necessariamente satisfeita por todos os estados separáveis. Mostramos a presença de squeezing em ambos os observáveis, com os respectivos valores $\\Delta^2 p_- = 0,49(1)$ e $\\Delta^2 q_+ = 0,65(1)$ relativos ao ruído quântico padrão. A desigualdade violada resultou $\\Delta^2 p_- +\\Delta^2 q_+ = 1,14(2)< 2$. Isso solucionou um problema aberto desde 1988, quando se previu teoricamente pela primeira vez a existência desse emaranhamento. Mostramos teoricamente que as correlações quânticas se estendem ao feixe de bombeio refletido pelo OPO, culminando no emaranhamento entre os três feixes envolvidos no processo paramétrico. Tem-se, assim, a geração direta de emaranhamento tripartite entre três regiões muito distintas do espectro. O emaranhamento multicolor amplia ainda mais as possibilidades de conversão da cor da informação quântica, com aplicações em redes quânticas. As diversas melhorias que realizamos em nosso sistema durante a busca pelo emaranhamento bipartite trouxeram uma compreensão mais profunda sobre a física de seu funcionamento, além de tornar nosso OPO uma fonte estável de feixes de luz coerente emaranhados. Este trabalho vem incluir o OPO acima do limiar no ferramental da área de informação quântica com variáveis contínuas. Esperamos em breve aplicações muito interessantes desse sistema. / We investigate the quantum properties of the light beams produced by an optical parametric oscillator (OPO) above threshold, both experimentally and theoretically. We present the first measurement of entanglement between the bright twin beams, signal and idler. These may differ in wavelength by hundreds of nanometers, showing different \'colors\'. This special characteristic allows for the transfer of quantum information between different regions of the electromagnetic spectrum. Entanglement was experimentally demonstrated by showing that the sum of variances of two EPR-like observables, the subtraction of the beams intensities and the sum of their phases, violates an inequality necessarily fulfilled by all separable states. We obtained squeezing in both observables, with the respective values $\\Delta^2 p_- = 0,49(1)$ and $\\Delta^2 q_+ = 0,65(1)$ relative to the shot noise level. The violated inequality resulted $\\Delta^2 p_- + \\Delta^2 q_+ = 1,14(2)< 2$. This solved an old problem, enunciated in 1988, when this effect was theoretically predicted for the first time. We show theoretically that the quantum correlations extend to the pump beam reflected by the OPO as well, culminating in entanglement among the three fields involved in the parametric process. Therefore, the OPO actually produces tripartite entanglement among very distant spectral regions in a direct manner. Multicolor entanglement opens new possibilities in the frequency conversion of quantum information. The improvements we performed in our system in order to achieve this result have brought a deeper understanding of the phenomena involved, as well as a more stable system operation, resulting in the development of a reliable source of bright entangled light beams. This work has finally added the above-threshold OPO to the optical quantum information toolbox. We expect new and exciting applications to come in the near future.

Investigamos as propriedades quânticas dos feixes de luz produzidos pelo oscilador paramétrico ótico (OPO) acima do limiar, tanto experimental quanto teoricamente. Apresentamos a primeira medida de emaranhamento entre os feixes gêmeos, sinal e complementar. Estes podem possuir frequências óticas muito distintas, correspondentes a centenas de nanometros em comprimento de onda. O emaranhamento entre duas cores possibilita transferir informação quântica entre diferentes regiões do espectro eletromagnético. A demonstração experimental do emaranhamento foi realizada mostrando que a soma de variâncias de observáveis tipo EPR dos campos, a subtração de intensidades e a soma das fases dos feixes, viola uma desigualdade que deve ser necessariamente satisfeita por todos os estados separáveis. Mostramos a presença de squeezing em ambos os observáveis, com os respectivos valores $\\Delta^2 p_- = 0,49(1)$ e $\\Delta^2 q_+ = 0,65(1)$ relativos ao ruído quântico padrão. A desigualdade violada resultou $\\Delta^2 p_- +\\Delta^2 q_+ = 1,14(2)< 2$. Isso solucionou um problema aberto desde 1988, quando se previu teoricamente pela primeira vez a existência desse emaranhamento. Mostramos teoricamente que as correlações quânticas se estendem ao feixe de bombeio refletido pelo OPO, culminando no emaranhamento entre os três feixes envolvidos no processo paramétrico. Tem-se, assim, a geração direta de emaranhamento tripartite entre três regiões muito distintas do espectro. O emaranhamento multicolor amplia ainda mais as possibilidades de conversão da cor da informação quântica, com aplicações em redes quânticas. As diversas melhorias que realizamos em nosso sistema durante a busca pelo emaranhamento bipartite trouxeram uma compreensão mais profunda sobre a física de seu funcionamento, além de tornar nosso OPO uma fonte estável de feixes de luz coerente emaranhados. Este trabalho vem incluir o OPO acima do limiar no ferramental da área de informação quântica com variáveis contínuas. Esperamos em breve aplicações muito interessantes desse sistema. / We investigate the quantum properties of the light beams produced by an optical parametric oscillator (OPO) above threshold, both experimentally and theoretically. We present the first measurement of entanglement between the bright twin beams, signal and idler. These may differ in wavelength by hundreds of nanometers, showing different \'colors\'. This special characteristic allows for the transfer of quantum information between different regions of the electromagnetic spectrum. Entanglement was experimentally demonstrated by showing that the sum of variances of two EPR-like observables, the subtraction of the beams intensities and the sum of their phases, violates an inequality necessarily fulfilled by all separable states. We obtained squeezing in both observables, with the respective values $\\Delta^2 p_- = 0,49(1)$ and $\\Delta^2 q_+ = 0,65(1)$ relative to the shot noise level. The violated inequality resulted $\\Delta^2 p_- + \\Delta^2 q_+ = 1,14(2)< 2$. This solved an old problem, enunciated in 1988, when this effect was theoretically predicted for the first time. We show theoretically that the quantum correlations extend to the pump beam reflected by the OPO as well, culminating in entanglement among the three fields involved in the parametric process. Therefore, the OPO actually produces tripartite entanglement among very distant spectral regions in a direct manner. Multicolor entanglement opens new possibilities in the frequency conversion of quantum information. The improvements we performed in our system in order to achieve this result have brought a deeper understanding of the phenomena involved, as well as a more stable system operation, resulting in the development of a reliable source of bright entangled light beams. This work has finally added the above-threshold OPO to the optical quantum information toolbox. We expect new and exciting applications to come in the near future.

Este projeto de pesquisa propõe desenvolver um novo modelo e uma nova abordagem para a resolução do problema da otimização Volt/VAr em redes de distribuição de energia elétrica. A otimização Volt/VAr consiste em, basicamente, determinar os ajustes das variáveis de controle tais como bancos de capacitores chaveados, transformadores com comutação de tap sob carga e reguladores de tensão, de modo a satisfazer, simultaneamente, as restrições de carga e de operação para um dado objetivo operacional. Esse problema, matematicamente, foi formulado como um problema de programação não linear, multiperíodo, e com variáveis contínuas e discretas. Algoritmos de programação não linear foram utilizados com o intuito de aproveitar as vantagens das matrizes altamente esparsas montadas ao longo do método de solução. Para utilizar tais algoritmos, as variáveis discretas são tratadas como contínuas por meio da utilização de funções senoidais que penalizam a função objetivo do problema original enquanto estas não convergirem para algum dos pontos pré-definidos no seu domínio. O caráter multiperíodo do problema, contudo, refere-se à consideração de uma restrição que relaciona os ajustes das variáveis de controle para sucessivos intervalos de tempo na medida em que limita o número de operações de chaveamento desses dispositivos para um período de 24-horas. O estudo fundamenta-se, metodologicamente, em métodos do tipo Primal-Dual Barreira-Logarítmica. Para demonstrar a eficiência do modelo proposto e a robustez dessa abordagem, a partir de dados teóricos obtidos de levantamentos bibliográficos, testes foram realizados em sistemas-teste de 10, 69 e 135 barras, e em um sistema de 442 barras do noroeste do Reino Unido. As implementações computacionais foram feitas nos softwares MATLAB, AIMMS e GAMS, utilizando o solver IPOPT como método de solução. Os resultados mostram que a abordagem proposta para a resolução do problema de programação não linear é eficaz para tratar adequadamente todas as variáveis presentes em problemas de otimização Volt/VAr. / This work proposes a new model and a new approach for solving the Volt / VAr optimization problem in distribution systems. The Volt/VAr optimization consists, basically, to determine the settings of the control variables of switched capacitor banks, on-load tap changer transformers and voltage regulators, in order to satisfy both the load and operational constraints, to a given operational objective. The problem is formulated as a nonlinear programming problem, multiperiod, and with continuous and discrete variables. Nonlinear programming algorithms were used in order to take advantage of the highly sparse matrices built along the solution method. The discrete variables are treated as continuous along the solution method by means of the use of sinusoidal functions that penalize the original objective function while the control variables do not converge to any of the predefined discrete points in its domain. The multiperiod, or dynamic, characteristic of the problem, however, refers to the use of a constraint that relates the settings of the control variables for successive time intervals that limits the control devices switching operations number for a period of 24-hours. The study is based, methodologically, on Primal-Dual Logarithmic Barrier method. To demonstrate the effectiveness of the proposed model and the robustness of this approach, the data were obtained from theoretical literature surveys, and tests were performed on test-systems of 10, 69 and 135 buses, and in a 442 buses located in the Northwest of the United Kingdom. The computational implementation was accomplished in the softwares MATLAB, AIMMS and GAMS, using the IPOPT solver as solution method. The results have shown the approach for solving nonlinear programming problems is effective to appropriate cope with all the variables presented in Volt/VAr optimization problems.

Este projeto de pesquisa propõe desenvolver um novo modelo e uma nova abordagem para a resolução do problema da otimização Volt/VAr em redes de distribuição de energia elétrica. A otimização Volt/VAr consiste em, basicamente, determinar os ajustes das variáveis de controle tais como bancos de capacitores chaveados, transformadores com comutação de tap sob carga e reguladores de tensão, de modo a satisfazer, simultaneamente, as restrições de carga e de operação para um dado objetivo operacional. Esse problema, matematicamente, foi formulado como um problema de programação não linear, multiperíodo, e com variáveis contínuas e discretas. Algoritmos de programação não linear foram utilizados com o intuito de aproveitar as vantagens das matrizes altamente esparsas montadas ao longo do método de solução. Para utilizar tais algoritmos, as variáveis discretas são tratadas como contínuas por meio da utilização de funções senoidais que penalizam a função objetivo do problema original enquanto estas não convergirem para algum dos pontos pré-definidos no seu domínio. O caráter multiperíodo do problema, contudo, refere-se à consideração de uma restrição que relaciona os ajustes das variáveis de controle para sucessivos intervalos de tempo na medida em que limita o número de operações de chaveamento desses dispositivos para um período de 24-horas. O estudo fundamenta-se, metodologicamente, em métodos do tipo Primal-Dual Barreira-Logarítmica. Para demonstrar a eficiência do modelo proposto e a robustez dessa abordagem, a partir de dados teóricos obtidos de levantamentos bibliográficos, testes foram realizados em sistemas-teste de 10, 69 e 135 barras, e em um sistema de 442 barras do noroeste do Reino Unido. As implementações computacionais foram feitas nos softwares MATLAB, AIMMS e GAMS, utilizando o solver IPOPT como método de solução. Os resultados mostram que a abordagem proposta para a resolução do problema de programação não linear é eficaz para tratar adequadamente todas as variáveis presentes em problemas de otimização Volt/VAr. / This work proposes a new model and a new approach for solving the Volt / VAr optimization problem in distribution systems. The Volt/VAr optimization consists, basically, to determine the settings of the control variables of switched capacitor banks, on-load tap changer transformers and voltage regulators, in order to satisfy both the load and operational constraints, to a given operational objective. The problem is formulated as a nonlinear programming problem, multiperiod, and with continuous and discrete variables. Nonlinear programming algorithms were used in order to take advantage of the highly sparse matrices built along the solution method. The discrete variables are treated as continuous along the solution method by means of the use of sinusoidal functions that penalize the original objective function while the control variables do not converge to any of the predefined discrete points in its domain. The multiperiod, or dynamic, characteristic of the problem, however, refers to the use of a constraint that relates the settings of the control variables for successive time intervals that limits the control devices switching operations number for a period of 24-hours. The study is based, methodologically, on Primal-Dual Logarithmic Barrier method. To demonstrate the effectiveness of the proposed model and the robustness of this approach, the data were obtained from theoretical literature surveys, and tests were performed on test-systems of 10, 69 and 135 buses, and in a 442 buses located in the Northwest of the United Kingdom. The computational implementation was accomplished in the softwares MATLAB, AIMMS and GAMS, using the IPOPT solver as solution method. The results have shown the approach for solving nonlinear programming problems is effective to appropriate cope with all the variables presented in Volt/VAr optimization problems.

Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-05-16T23:56:29Z No. of bitstreams: 1 EDMAR JOSÉ DO NASCIMENTO – TESE (PPGEE) 2017.pdf: 1146136 bytes, checksum: 66fa0c285fd895d4aa000dd5ad1d1eef (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-16T23:56:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EDMAR JOSÉ DO NASCIMENTO – TESE (PPGEE) 2017.pdf: 1146136 bytes, checksum: 66fa0c285fd895d4aa000dd5ad1d1eef (MD5) Previous issue date: 2018-04-18 / Protocolos para a distribuição quântica de chaves (DQC) permitem que duas partes (Alice e Bob) compartilhem uma chave secreta que pode ser usada para fins criptográficos. A segurança do protocolo é baseada em propriedades da mecânica quântica, ao invés de hipóteses computacionais. Na distribuição quântica de chaves com variáveis contínuas (DQCVC), a informação é codificada nas amplitudes de quadratura do campo eletromagnético quantizado. Quando implementado com variáveis contínuas, o aparato usado na DQC é consideravelmente mais simples que nas implementações convencionais com variáveis discretas, já que se pode utilizar a medição do tipo homódina, ao invés da detecção de fótons. Uma vez realizada a medida, ainda se faz necessária uma etapa de processamento clássico, denominada de reconciliação da informação, a fim de que Alice e Bob possam compartilhar uma cadeia comum de bits. Para que a DQCVC possa ser realizada em distâncias razoáveis (superiores a 30 km), o processo de reconciliação precisa ser feito com eficiências elevadas (superiores a 90%). Entretanto, eficiências dessa ordem para baixas SNRs (signal-to-noise ratio - razão sinal ruído) requerem o uso de códigos clássicos de comprimento bastante elevado e, assim, são difíceis de serem alcançadas. Nesta tese, se propõe o uso dos mapas de Shannon-Kotel’nikov na preparação dos estados quânticos que são usados na DQCVC. Com a utilização desses mapas, é possível aumentar a SNR entre Alice e Bob sem aumentar a variância da modulação de Alice. Dessa forma, o processo de reconciliação se torna mais simples, pois eficiências de reconciliação mais altas são mais facilmente alcançadas em SNRs maiores. Como contribuições desta tese têm-se: a proposição de um protocolo; a definição de um cenário de simulação e a análise do protocolo para dois tipos de mapas (a espiral uniforme de Arquimedes e as curvas geodésicas em um toro planar). / Quantum key distribution (QKD) protocols allow two parties, Alice and Bob, to share a secret key that may be used for cryptographic purposes. The security of QKD is based on quantum mechanics properties instead of computational assumptions. In continuous-variable quantum key distribution (CVQKD), the information is encoded in the quadrature amplitudes of the quantized electromagnetic field. When QKD is implemented with continuous variables, hardware components are much simpler than their discrete variables equivalents. This is mainly due to homodyne detection instead of photon detection. After measuring the transmitted states, it is still necessary to carry out a classical processing stage known as information reconciliation. This stage allows Alice and Bob to share a common sequence of bits. In order to deploy CVQKD over reasonable distances (over 30 km), reconciliation must be done at high efficiencies (over 90%). However, such high efficiencies for low SNRs (signal-to-noise ratio) require long length classical codes and are difficult to be reached. In this thesis, we propose to use Shannon-Kotel’nikov maps for preparing quantum states in CVQKD. By using these maps, it is possible to increase the SNR between Alice and Bob, without increasing Alice’s variance. Thus, reconciliation becomes easier because higher reconciliation efficiencies are more easily reached for higher SNRs. The contributions of this theses are: the proposal of a CVQKD protocol; the statement of a simulation scenario; the analysis of the proposed protocol for two kinds of maps (uniform Archimedes’ spiral and geodesic curves on a flat torus).