Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The prospect of simulating many-body quantum phenomena in coupled high-quality
optical cavities has attracted a lot of interest over the past few years. The major
advantages are twofold. First, this approach allows a high degree of control and
addressability of individual sites and, second, the composite nature of particles,
now involving mixed atomic and photonic excitations, namely polaritons, paves
the way to the realization of novel strongly correlated regimes of light and matter.
Despite being promising quantum simulators, cavity networks are also suited
platforms for distributed quantum information processing and quantum communication.
This thesis comprises two studies on coupled-cavity systems described by
the Jaynes-Cummings-Hubbard model. Particularly, here we introduce protocols
for quantum-state transfer and control in two different structures. The first study
deals with a one-dimensional coupled-cavity array where each cavity interacts with
a single atom. For a staggered pattern of inter-cavity couplings, a pair of field
normal modes, each bi-localized at the array ends, arises. A rich structure of dynamical
regimes can hence be addressed depending on which resonance condition
between the atom and field modes is set. We show that this can be harnessed to
carry out high-fidelity quantum-state transfer of photonic, atomic or polaritonic
states. Moreover, by partitioning the array into coupled modules of smaller length,
the QST time can be substantially shortened without significantly affecting the fidelity.
Further, we explore the dynamics of photonic and atomic excitations on an
Apollonian network under different atom-photon interaction regimes. We show that
the normal-mode spectrum spanned by this kind of network induces a non-trivial
propagation dynamics depending on connection degree among nodes, thereby being
useful for connecting different quantum-network users. Our results are driven
towards communication protocols in quantum networks comprised of light-matter
interfaces, thus paving the way for large-scale quantum information processing. / A perspectiva de simular fenômenos quânticos de sistemas de muitos corpos em cavidades
ópticas acopladas tem atraído bastante interesse nos últimos anos. O alto
grau de controle experimental e a natureza híbrida das partículas envolvidas, denominada
poláritons, fornecem uma nova direção no estudo de sistemas fortemente
correlacionados envolvendo interação entre luz e matéria. Além disso, redes de cavidades
são plataformas promissoras para processamento de informação quântica
em redes quânticas. Esta tese é constituída por dois estudos em redes de cavidades
acopladas descritas pelo modelo Jaynes-Cummings-Hubbard. Em particular,
desenvolvemos protocolos de transferência e controle de estados quânticos em duas
estruturas distintas. No primeiro estudo, consideramos uma cadeia unidimensional
de cavidades com um padrão alternado de acoplamento entre as cavidades, cada
uma interagindo com um átomo. Neste cenário, um par de modos normais do campo
eletromagnético torna-se fortemente localizado nas extremidades da cadeia. Dessa
forma, uma vasta estrutura de regimes dinâmicos pode ser manipulada dependendo
da ressonância entre os modos normais atômicos e do campo. Mostramos como
isso pode ser utilizado para realizar protocolos de transferência de estado quântico
envolvendo estados fotônicos, atômicos ou híbridos, com alta fidelidade. Também
discutimos como reduzir o tempo de transmissão de estados, sem comprometer sua
eficiência, particionando a cadeia em módulos. Em seguida, exploramos a dinâmica
de excitações atômicas e fotônicas em uma rede complexa de Apolônio considerando
diversos regimes de interação. Mostramos que o espectro de modos normais induzido
por este tipo de rede também oferece diversas alternativas no controle da dinâmica
do sistema. Além disso, a natureza complexa da rede de Apolônio induz uma dinâmica
de propagação não-trivial que depende do grau de conexão entre os sítios,
podendo ser assim aplicada para conectar diferentes usuários de uma rede quântica.
Nossos resultados contribuem para o desenvolvimento de protocolos de comunicação
em redes quânticas utilizando dispositivos de interface luz-matéria, abrindo assim
caminho para o processamento de informação quântica em larga escala.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:ri.ufs.br:riufs/5247 |
| Date | 20 January 2016 |
| Creators | Almeida, Guilherme Martins Alves de |
| Contributors | Souza, André Maurício Conceição de |
| Publisher | Universidade Federal de Sergipe, Pós-Graduação em Física, UFS, Brasil |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFS, instname:Universidade Federal de Sergipe, instacron:UFS |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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