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Apresentamos uma transposição didática do teorema da não-clonagem para estudantes do ensino médio utilizando polinômios.

Submitted by Leonardo Almeida Lessa (leonardo.a.lessa@unesp.br) on 2022-01-16T15:54:01Z No. of bitstreams: 1 Dissertação de Mestrado - IFT-UNESP - Leonardo Almeida Lessa.pdf: 697789 bytes, checksum: 0caf5474fb33c740785747cffda01ee7 (MD5) Rejected by Hellen Sayuri Sato null (hellen@ift.unesp.br), reason: Solicitamos que realize correção na submissão seguindo a orientação abaixo: O campo titulo em outro idioma deve ser preenchido com o título em português, visto que o título original é em inglês Agradecemos a compreensão. on 2022-01-17T11:35:30Z (GMT) Submitted by Leonardo Almeida Lessa (leonardo.a.lessa@unesp.br) on 2022-01-17T14:38:35Z No. of bitstreams: 1 Dissertação de Mestrado - IFT-UNESP - Leonardo Almeida Lessa.pdf: 697789 bytes, checksum: 0caf5474fb33c740785747cffda01ee7 (MD5) Approved for entry into archive by Hellen Sayuri Sato null (hellen@ift.unesp.br) on 2022-01-17T16:30:40Z (GMT) No. of bitstreams: 1 lessa_la_me_ift.pdf: 697789 bytes, checksum: 0caf5474fb33c740785747cffda01ee7 (MD5) Made available in DSpace on 2022-01-17T16:30:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 lessa_la_me_ift.pdf: 697789 bytes, checksum: 0caf5474fb33c740785747cffda01ee7 (MD5) Previous issue date: 2022-01-11 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) International Centre for Theoretical Physics (ICTP) Sistemas topológicos de Floquet são generalizações de sistemas topológicos estáticos para hamiltonianas periódicas no tempo. Recentemente, aqueles modelos receberam especial atenção em parte devido a novas propriedades topológicas dinâmicas que estendem seus análogos estáticos. Nesta dissertação, avançamos nesse sentido ao tentar definir defeitos extrínsecos da simetria da periodicidade do tempo, os quais chamamos de defeitos temporais. Depois de revisar a literatura sobre fases estáticas e topológicas de Floquet, discutimos por que a construção de defeitos em sistemas estáticos não pode ser estendida diretamente para defeitos temporais. Isso é mostrado explicitamente por meio de simulações numéricas que indicam inconsistências da abordagem estática no modelo inerentemente dinâmico de Rudner-Lindner-Berg-Levin. Floquet topological systems are generalizations of static topological systems to time-periodic Hamiltonians. They have recently drawn attention partly due to novel dynamical topological properties that extend their static counterparts. In this essay, we continue this trend by attempting to define extrinsic defects of the time periodicity symmetry, which we call time defects. After reviewing the literature on static and Floquet topological phases, we discuss why the construction of defects in static systems cannot be directly extended to time defects. This is shown explicitly via numerical simulations that point to inconsistencies of the static approach in the inherently dynamical Rudner-Lindner-Berg-Levin model. 88887.492609/2020-00

Submitted by Marina Maciel Ansanelli (marina.ansanelli@unesp.br) on 2022-05-10T22:29:31Z No. of bitstreams: 1 Marina Maciel Ansanelli - Dissertação de Mestrado.pdf: 3395693 bytes, checksum: b70a864a3304dd36cb235ff72e88d11d (MD5) Rejected by Hellen Sayuri Sato null (hellen@ift.unesp.br), reason: Solicitamos que realize correções na submissão seguindo as orientações abaixo: O título em outro idioma está preenchido com o título original. Favor corrigir Agradecemos a compreensão. on 2022-05-11T13:47:15Z (GMT) Submitted by Marina Maciel Ansanelli (marina.ansanelli@unesp.br) on 2022-05-11T20:15:26Z No. of bitstreams: 1 Marina Maciel Ansanelli - Dissertação de Mestrado.pdf: 3395693 bytes, checksum: b70a864a3304dd36cb235ff72e88d11d (MD5) Approved for entry into archive by Hellen Sayuri Sato null (hellen@ift.unesp.br) on 2022-05-12T13:10:30Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ansanelli_mm_me_ift.pdf: 3395693 bytes, checksum: b70a864a3304dd36cb235ff72e88d11d (MD5) Made available in DSpace on 2022-05-12T13:10:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ansanelli_mm_me_ift.pdf: 3395693 bytes, checksum: b70a864a3304dd36cb235ff72e88d11d (MD5) Previous issue date: 2022-01-05 Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) O objetivo da área de inferência causal é apontar explicações causais subjacentes para dados observáveis. A explicação causal muitas vezes não é única, uma vez que podemos ter duas estruturas causais que explicam o mesmo conjunto de distribuições. Como tal, podemos agrupar as estruturas causais que originam as mesmas correlações no que chamamos de classes de equivalência observacional. Nesta tese, revisamos trabalhos anteriores sobre equivalências observacionais entre estruturas causais clássicas e apresentamos duas extensões de resultados existentes sobre equivalência. Além disso, aplicamos esses resultados aos casos de 3 e 4 variáveis, mostrando que a classificação é completa para o primeiro caso e ainda incompleta para o segundo. Finalmente, mostramos como essa classificação pode ajudar a filtrar exemplos de estruturas que podem exibir lacunas quântico- clássicas e discutimos a validade quântica dos resultados de equivalência. The goal of causal inference is to point out underlying causal explanations for observable data. The causal explanation is often not unique, since we can have two causal structures that explain the same set of distributions. As such, we can group the causal structures that originate the same correlations into what we call observational equivalence classes. In this thesis, we review previous work on observational equivalences between classical causal structures and present two extensions to existent rules to prove equivalence. Furthermore, we apply these results to the cases of 3 and 4 variables, showing that the classification is complete for the former case and still incomplete for the latter. Finally, we show how this classification can help filter examples of structures that may exhibit quantum-classical gaps and we discuss the quantum validity of the equivalence results. 133860/2020-5

Agradecimentos: This work is partially supported by the Brazilian National Council for Scientific and Technological Development (CNPq) Abstract: We derive the strong subadditivity of the von Neumann entropy with a strict lower bound, dependent on the distribution of quantum correlation in the system. We investigate the structure of states saturating the bounded subadditivity and examine its consequences for the quantum data processing inequality. The quantum data processing achieves a lower bound associated with the locally inaccessible information CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ Fechado

Orientador: Prof. Dr. Roberto Menezes Serra Coorientador: Prof. Dr. Pedro Ruas Dieguez Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, Santo André, 2022. Recentemente observamos um interesse crescente em uma nova classe de ciclos de motores quânticos baseados em medidas. Uma vez que medidas quânticas podem alterar o estado do sistema e sua energia interna, é possível elaborar um protocolo de medidas generalizadas para inserir/retirar calor bem como extrair trabalho do sistema. Nesta dissertação, discutiremos alguns ciclos termodinâmicos constituídos por medidas generalizadas, incluindo protocolos que operam do modo de motor, de acelerador térmico e de refrigerador. Usando técnicas de ressonância magnética nuclear (RMN) mostraremos a caracterização experimental de um motor quântico de spin 1/2 baseado em medidas generalizadas. Evidenciamos a possibilidade de se atingir eficiência unitária para esse tipo de motor em nosso experimento de prova de conceito. Por fim, vamos estudar teoricamente os efeitos da indefinição de ordens causais das medidas generalizadas nesses ciclos termodinâmicos. Para isso vamos considerar a aplicação de dois canais de medida com superposição de sua ordem de aplicação, o que é feito através de um controle quântico atrelado ao canal de medida. Veremos que o controle/indefinição de ordens causais das operações de medida desempenha um papel não trivial nos protocolos termodinâmicos quânticos estudados. Recently there is a growing interest in a new class of measurement-based quantum engine cycles. Since quantum measurements can change the state of the system and its internal energy, it is possible to devise a protocol of generalized measurements for inserting/removing heat as well as extracting work from the system. In this dissertation, we will discuss some thermodynamic cycles powered by generalized measurements, including protocols that operate in motor, thermal accelerator and cooler modes. Using nuclear magnetic resonance (NMR) techniques we will show the experimental characterization of a spin 1/2 quantum engine based on generalized measurements. We evidenced the possibility of achieving unitary efficiency for this type of motor in our proof-of-concept experiment. Finally, we will theoretically study the effects of indefinite of causal orders of generalized measures in these thermodynamic cycles. For this ain we consider two measurement channels with superposition of their application order, which is done through a quantum control associated to the measurement channel. We will see that the control/undefinition of causal orders of measurement operations plays a non-trivial role in the studied quantum thermodynamic protocols.

Agradecimentos: MA gratefully acknowledges support from Harry Shaw of NASA Goddard Space Flight Center and Kenneth Cohen of Peraton Abstract: While recent breakthroughs in quantum computing promise the nascence of the quantum information age, quantum states remain delicate to control. Moreover, the required energy budget for large scale quantum applications has only sparely been considered. Addressing either of these issues necessitates a careful study of the most energetically efficient implementation of elementary quantum operations. In the present analysis, we show that this optimal control problem can be solved within the powerful framework of quantum speed limits. To this end, we derive state-independent lower bounds on the energetic cost, from which we find the universally optimal implementation of unitary quantum gates, for both single and N-qubit operations Aberto

The Minkowski vacuum $|0\rangle_M$, which for an inertial observer is devoid of particles, is treated as a thermal bath by Rindler observers living in a single Rindler wedge, as a result of the discrepancy in the definition of positive frequency between the two classes of observers and a strong entanglement between degrees of freedom in the left and right Rindler wedges. We revisit, in the context of a free scalar Klein-Gordon field, the problem of quantification of the correlations between an inertial observer Alice and left/right Rindler observes Rob/AntiRob. We emphasize the analysis of informational quantities, like the locally accessible and locally inaccessible information, and a closely associated entanglement measure, the entanglement of formation. We conclude that, with respect to the correlation structure probed by inertial observers alone, the introduction of a Rindler observer gives rise to a correlation redistribution which can be quantified by the entanglement of formation., Comment: 9 pages, 7 figures

Orientadores: Reginaldo Palazzo Júnior, Clarice Dias de Albuquerque Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Neste trabalho, apresentamos um estudo sobre construção e decodificação do código tórico, primeiro código quântico topológico proposto. Inicialmente, compilamos os conceitos preliminares necessários à compreensão do tema. Para a apresentação do código tórico, estudamos sua estrutura e identificamos seus parâmetros por meio de duas abordagens, a primeira fundamentada principalmente na teoria de homologia e co-homologia, e a segunda visando entender o comportamento dos anyons dentro do sistema. Por fim, o problema da decodificação é introduzido para dois modelos de erros: um que considera a síndrome fidedigna e outro que prevê a existência de erros nas medições dos geradores do código. Analisamos as particularidades que surgem na decodificação com cada um dos casos. Ao longo do trabalho, buscamos utilizar exemplos que reforcem os conceitos apresentados Abstract: In this work, we present a study on the construction and decoding of the toric code, the first proposed topological quantum code. Initially, we compiled the preliminary concepts necessary to understand the topic. For the presentation of the toric code, we studied its functioning and identified its parameters through two approaches, the first based mainly on the theory of homology and co-homology, and the second aiming to understand the behavior of anyons within the system. Finally, the decoding problem is introduced for two error models, one that considers the syndrome to be reliable and the other that predicts the existence of errors in the measurements of the code generators. We analyze the particularities that arise in the decoding with each case. Throughout the work, we seek to use examples that reinforce the concepts presented Mestrado Telecomunicações e Telemática Mestre em Engenharia Elétrica CNPQ 131245/2020-1

Apresentamos algumas portas quânticas e suas respectivas interpretações físicas.

Submitted by Guilherme Arantes Canella (guilherme.canella@unesp.br) on 2022-01-10T16:56:08Z No. of bitstreams: 1 tese_GuilhermeCanellaDO_corrigida.pdf: 975065 bytes, checksum: a53f2cd9c30e63af8c7015918283da6d (MD5) Rejected by Valeria Aparecida Moreira Novelli (valeria.novelli@unesp.br), reason: Solicitamos que realize uma nova submissão seguindo a orientação abaixo: - incluir a ficha catalográfica original elaborada pela Biblioteca da Unidade, constando o nome e número de registro do bibliotecário responsável junto ao Conselho Regional de Biblioteconomia (CRB), depois da folha de rosto da tese (elemento obrigatório); e - incluir o certificado de aprovação com a assinatura dos membros da Comissão Examinadora, após a ficha catalográfica (elemento obrigatório). Agradecemos a compreensão. on 2022-01-12T13:27:49Z (GMT) Submitted by Guilherme Arantes Canella (guilherme.canella@unesp.br) on 2022-01-12T15:02:40Z No. of bitstreams: 1 teseCompleta_GuilhermeCanellaDO_corrigida.pdf: 1288529 bytes, checksum: 91a55d6c024f7c98b8480a3d23517eb4 (MD5) Rejected by Valeria Aparecida Moreira Novelli (valeria.novelli@unesp.br), reason: Solicitamos que realize uma nova submissão seguindo a orientação abaixo: - excluir a página número 5 da tese que está em branco Agradecemos a compreensão. on 2022-01-13T13:17:15Z (GMT) Submitted by Guilherme Arantes Canella (guilherme.canella@unesp.br) on 2022-01-14T01:08:46Z No. of bitstreams: 1 teseCompleta_GuilhermeCanellaDO_corrigida.pdf: 1288132 bytes, checksum: 94db92606a3027b0ad452f8bf839a6ca (MD5) Approved for entry into archive by Valeria Aparecida Moreira Novelli (valeria.novelli@unesp.br) on 2022-01-14T11:24:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 canella_ga_dr_araiq_int.pdf: 1288132 bytes, checksum: 94db92606a3027b0ad452f8bf839a6ca (MD5) Made available in DSpace on 2022-01-14T11:24:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 canella_ga_dr_araiq_int.pdf: 1288132 bytes, checksum: 94db92606a3027b0ad452f8bf839a6ca (MD5) Previous issue date: 2021-12-10 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) O estudo de transições de fase quânticas tem despertado o interesse de cientistas teóricos e experimentais. Quando um sistema é exposto a uma desordem moderada ou forte a função de onda eletrônica se localiza transformando metais ou supercondutores em isolantes. Neste trabalho, investigamos as transições superfluido-isolante e metal-isolante através do emaranhamento quântico. Utilizamos o modelo de Hubbard fermiônico unidimensional para descrever as nanoestruturas desordenadas, obtendo os valores de energia e densidade através da teoria do Funcional da Densidade e quantificando o grau de emaranhamento do sistema através da entropia linear. Para a transição superfluido-isolante verificamos que ela pode ser desencadeada pela concentração de impurezas, pela intensidade de desordem ou pela densidade média de partículas. Encontramos uma relação direta entre a concentração crítica da transição e a densidade média e mostramos que a classificação da transição e a existência de um V minimo depende se o sistema está em um estado de localização total ou localização ordinária. Na abordagem da termodinâmica fora do equilíbrio verificamos que a extração máxima de trabalho ocorre quando o sistema está exatamente na concentração crítica e que para temperaturas altas só é possível a produção de trabalho. Para a transição metal-isolante verificamos que, diferentemente da transição superfluido-isolante, há uma competição entre U e V pois cada parâmetro contribui de maneira diferente para a fase isolante. Mostramos que a relação entre a concentração crítica e a densidade média para esse caso depende do tipo da transição metal-isolante em questão. The study of quantum phase transitions has aroused interest of theoretical and experimental scientists. When a system is exposed to moderate or strong disorder, the electronic wave function becomes localized, transforming metals or superconductors into insulators. In this thesis, we investigate the superfluid-insulator and metal-insulator transitions th- rough quantum entanglement. We use the one-dimensional fermionic Hubbard model to describe the disordered nanostructures, obtaining the energy and density profiles via Density Functional theory and quantifying the degree of entanglement through the linear entropy. For the superfluid-insulator transition, we showed that it can be triggered by the concentration of impurities, the intensity of disorder or the average density of particles. We found a direct relationship between the critical transition concentration and the average density, and we showed that the order of the transition and the existence of a Vmin depends on whether the system is in a state of total or ordinary localization. In the out- of-equilibrium thermodynamics approach we found that the maximum work extraction occurs when the system is exactly at the critical concentration and for high temperatures only work production is possible. For the metal-insulator transition we verified that unlike the superfluid-insulator transition, there is a competition between U and V due to their different contributions to the insulator phase. We showed that the relationship between the critical concentration and the average density for this case depends on the type of metal-insulator transition.

Quantum Darwinism proposes that the proliferation of redundant information plays a major role in the emergence of objectivity out of the quantum world. Is this kind of objectivity necessarily classical? We show that if one takes Spekkens' notion of noncontextuality as the notion of classicality and the approach of Brand\~{a}o, Piani and Horodecki to quantum Darwinism, the answer to the above question is `yes', if the environment encodes sufficiently well the proliferated information. Moreover, we propose a threshold on this encoding, above which one can unambiguously say that classical objectivity has emerged under quantum Darwinism., Comment: Essentially the accepted version. Enhanced clarity, but main results stand the same. Addition of two new subsections: 1- a cutoff for classical objectivity 2-state spectrum broadcasting case (+ the relative subsections to the appendix). For the final version, please look at PRX Quantum. 8 pages, 2 figures in the main text + 7 pages, 1 figure in the Appendix. Comments are welcome!

The experimental success achieved in recent decades in the coherent manipulation of several Rabi cycles has led to a new stage in the physics of radiation-matter interaction. Motivated by this perspective, we propose here the engineering of coherent many-body Rabi oscillations (CMBROs) induced from the interactions of a moderately dense atomic sample with the environment and a high-finesse cavity mode. The CMBRO follows from the interplay between superradiance and superabsorption: the collective decay and absorption of the atomic sample inside the cavity. The equations we have derived for this interplay, based on the mean-field approximation, describe a two-level superradiant laser in an appropriate parameter regime, and its properties are also discussed. The control of quantum coherence according to the method presented here can be adapted to the implementation of quantum information processes as well as for the investigation of the fundamentals of quantum mechanics.

Orientador: Carlile Campos Lavor Dissertação (mestrado profissional) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Cientifica Resumo: Neste trabalho, usando conceitos de álgebra linear e de operações quânticas, obtemos algumas propriedades de ruído quântico (para o caso particular de um q-bit), a fim de apresentar uma interpretação geométrica dos diferentes ruídos em canais quânticos, cujo processo é fundamental para a compreensão do processamento da informação quântica Abstract: In this work, using concepts of linear algebra and quantum operations, we obtain some properties of quantum noise (for the one qubit case), in order to present a geometrical interpretation of different noises in quantum channels, which process is fundamental to the comprehension of the quantum information processing Mestrado Computação Quântica Mestre em Matemática

Orientadores: Marcia Aparecida Gomes Ruggiero, Carlile Campos Lavor Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica Resumo: A preparação, manipulação e caracterização de sistemas quânticos são tarefas essenciais para a computação quântica. Em Tomografia de Estados Quânticos, o objetivo é encontrar uma estimativa para a matriz de densidade, associada a um ensemble de estados quânticos identicamente preparados, baseando-se no resultado de medições. Este é um importante procedimento em computação e informação quântica, sendo aplicado, por exemplo, para verificar a fidelidade de um estado preparado ou em tomografia de processos quânticos. Nesta tese, estudamos métodos matemáticos aplicados aos problemas que surgem na reconstrução de estados quânticos. Na estimação por Máxima Verossimilhança, apresentamos dois métodos para a resolução dos problemas de otimização dessa abordagem. O primeiro se baseia em uma reparametrização da matriz de densidade e, neste caso, provamos a equivalência das soluções locais do problema de otimização irrestrita associado. No segundo, relacionado à verossimilhança multinomial, demonstramos a convergência global do método sob hipóteses mais fracas que as da literatura. Apresentamos também duas formulações para o caso de tomografia com um conjunto incompleto de medidas: Máxima Entropia e Tomografia Quântica Variacional. Propusemos uma nova formulação para a segunda, de modo a apresentar propriedades mais parecidas as da Máxima Entropia, mantendo a estrutura de um problema de programação semidefinida linear. Para outros problemas de otimização sobre o espaço de matrizes de densidade além do problema da Tomografia de Estados Quânticos, apresentamos um método de Gradiente Projetado que se mostrou efetivo em testes numéricos preliminares. Por fim, discutimos sobre a implementação de inferência Bayesiana, através de métodos Monte Carlo via cadeias de Markov, no problema de estimação da matriz de densidade Abstract: Preparation, manipulation and characterization of quantum states are essential tasks for quantum computation. In Quantum State Tomography, the aim is to find an estimate for the density matrix associated to an ensemble of identically prepared quantum systems, based on the measurement outcomes. This is an important procedure in quantum information and computation applied for instance, to verify the fidelity of a prepared state or in quantum process tomography. In this thesis we study mathematical methods applied to problems that raise from the reconstruction of quantum states. In the Maximum Likelihood Estimation we present two methods to solve the optimization problems of this approach. The first one is based on a reparameterization of the density matrix and, in this case, we prove the equivalence of local solutions of the related unconstrained optimization problem. In the second one, related to multinomial likelihoods, we prove the global convergence of the method under weaker assumptions than those of literature. We also discuss two formulations to the case of quantum state tomography with incomplete measurements: Maximum Entropy and Variational Quantum Tomography. We propose a new formulation for the second one in order to have a similar behavior to the Maximum Entropy approach, keeping the linear semidefinite positive programming structure. Furthermore, in order to solve other optimization problems over the density matrices space besides the Quantum State Tomography, we present a Projected Gradient method which shows a good performance in preliminary numerical tests. We also briefly talk about the implementation of a Bayesian inference scheme, through Monte Carlo Markov chains methods, to the density matrix estimation problem Doutorado Matemática Aplicada Doutor em Matemática Aplicada

Orientador: Antonio Vidiella Barranco Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica "Gleb Wataghin" Resumo: A presente tese é dedicada à utilização de conhecidos sistemas quânticos em aplicações de interesse em óptica e informação quântica. Motivados pelos recentes avanços experimentais em sistemas formados por íons aprisionados interagindo com lasers e na eletrodinâmica quântica de cavidades, nós focamos grande parte de nossas propostas nestes sistemas. Mais especificamente, nós estudamos a interação de íons e campos quantizados na chamada eletrodinâmica quântica de cavidades com íons aprisionados. Neste contexto, iniciamos nossos trabalhos com uma proposta de geração de superposições mesoscópicas no movimento do íon. Uma vez que tais superposições são muito sensíveis à decoerência, incluímos perdas na cavidade para tratar uma situação mais realista. Através da observação de quantum jumps, ou fóton-contagens fora da cavidade, mostramos um esquema de geração de estados com características quânticas muito similares aos encontrados no caso da cavidade ideal, sem perdas. Neste aspecto, encontramos um modo de usar a dissipação a nosso favor, fato de grande interesse experimental devido às imperfeições dos espelhos reais. Apresentamos também uma proposta de implementação de uma interação do tipo Kerr em íons como uma alternativa ao uso de cristais não-lineares que apresentam baixíssima eficiência para esse tipo de efeito. Essa proposta abre novas possibilidades para o uso de íons em medidas não demolidoras e computação quântica. Nossos estudos na área de eletrodinâmica quântica com íons aprisionados terminam com a análise dos efeitos do movimento do íon na dinâmica das transições multi-fotônicas. Esse é um estudo mais fundamental e está relacionado com o entendimento da interação da radiação com a matéria. Na última parte desta tese são apresentados resultados sobre o uso de sistemas de muitos corpos para a distribuição de informação quântica. O objetivo de se estudar estes sistemas mais complexos é a busca de implementação de protocolos quânticos em larga escala. Neste sentido, poderíamos pensar numa cadeia de osciladores harmônicos acoplados como ocorre em sistemas típicos da física da matéria condensada. Em particular, nós estudamos como aumentar a eficiência na transmissão de emaranhamento nestas cadeias. Propusemos um esquema que funciona como um tipo de quantum data bus, ou ônibus quântico para transportar e distribuir emaranhamento com alta eficiência Abstract: This thesis is concerned with the use of firmly established quantum systems for applications in quantum optics and quantum information. Having been driven by recent experimental advances in laser-manipulated trapped ions and cavity quantum electrodynamics, we concentrated more on proposals to be implemented in those systems. Being more specific, we have studied the interaction between trapped ions and quantized fields in the so-called cavity quantum electrodynamics with trapped ions. In this context, we began with a proposal to generate mesoscopic superpositions in the motion of the ion. Since these superpositions are extremely sensitive to decoherence, we have included cavity losses in order to make the situation slightly more realistic. We showed that the observation of quantum jumps, or photon detection outside the cavity, would generate quantum states with properties close to that generated in the ideal lossless case. In spite of the normally destructive effect of dissipation, we found a way to use it in our favor which turns out to be of great experimental importance due to always present mirror imperfections. We also showed how to mimic cross-Kerr nonlinearities in the cavity-ion system as a feasible alternative to the use of nonlinear crystals whose intensity of that non-linearity is too weak. This proposal opens up new possibilities for the use of trapped ions in non-demolition measurements and quantum computing. We finish our work in cavity electrodynamics with trapped ions with the study of the effect of the ionic motion on the dynamics of multiphotonic transitions. This is a more fundamental issue that is related to the understanding of matter-field interaction. In the last part of this thesis, we present results on the use of many-body systems for quantum information distribution. It was our goal to study more complex systems for the implementation of quantum protocols in large scale. In this sense, one could think of a chain of coupled harmonic oscillators as commonly found in condensed matter physics. Particularly, we dealt with the efficiency of entanglement transmission through the chain, trying to improve it. We ended up with a scheme which acts as a quantum data bus able to transport and distribute entanglement around quite efficiently Doutorado Física Doutor em Ciências

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico In this work, we study the dynamics of entanglement between two eletronic qubits inside two coupled quantum molecules, where each molecule is consisting of two semiconductor quantum dots. Our first interest is to explore the production of maximally entangled states in the two level system not considering dissipation. Using the Bell states, we define a new basis for the system of interest, which allows to obtain a new Hamiltonian for the quantum molecules. To analyze the characteristics of eigenstates of the Hamiltonian which describes the quantum molecules, we use a measure of entanglement called concurrence. From the new base, we verify the behavior the dynamics of entanglement by manipulating the physical parameters of the system as the detuning and the tunneling between the quantum dots contained in molecules and the Coulomb interaction.We identified a set of physical parameters which are linked to the creation of maximally entangled states and other conditions where it is not possible to entangle the subsystems. Nesta dissertação estudamos a dinâmica do emaranhamento entre dois qubits eletrônicos localizados em duas moléculas quânticas acopladas, onde cada molécula é composta por dois pontos quânticos semicondutores. O foco principal é a produção de estados maximamente emaranhados no sistema de dois níveis sem considerarmos perdas. Utilizamos a concorrência, uma medida de correlação quântica, para analisar as características do emaranhamento dos autoestados do sistema obtidos através da diagonalização exata do Hamiltoniano que descreve as moléculas quânticas. Definimos uma nova base, a base de estados de Bell, que permite reescrever o Hamiltoniano para as moléculas acopladas. Essa nova interpretação possibilitou determinar dois subespaços de matrizes 2 2 que elucidam o comportamento do emaranhamento no sistema. Ainda auxiliados por esta nova base, verificamos a dinâmica do emaranhamento ao manipularmos parâmetros físicos do sistema como a dessintonia e o tunelamento entre os pontos contidos nas moléculas e a interação de Coulomb entre as moléculas. Identificamos um conjunto de parâmetros onde é possível obter estados maximamente emaranhados e condições onde não é possível emaranhar os subsistemas. Mestre em Física

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) In this work we show how to engineer reservoirs with different effective temperatures for a single qubit (quantum bit) system. To that end, we built an appropriate interaction between a qubit, that is, a 13C nuclear spin, and a reservoir, in our case, a large number of nuclear hydrogen spins that act as a spin bath. For this study, we used the carbon-hydrogen structure present in the polycrystalline sample of adamantane. The interaction we seek is built by applying a sequence of specific radiofrequency pulses using the technique of nuclear magnetic resonance (NMR). The temperature of the entire system can be controlled by preparing the initial state of the nuclear hydrogen spins and, thus, we show how to build reservoirs with arbitrary temperatures, including negative effective ones. As an application of these artificial reservoirs, we investigated the implementation of quantum thermal machines. First, we performed an experiment in which a quantum thermal machine works under two reservoirs, one at a positive and the other at an effective negative spin temperature. We use the liquid chloroform molecule to simulate the qubit system. We show that the efficiency of this thermal machine can be greater than the case when the two reservoirs are at positive temperatures. We also demonstrate a counterintuitive result, in which the efficiency of the Otto cycle can be surpassed and when the quantum thermal machine operates in a finite time, that is, in a non-adiabatic manner. Finally, we implemented a quantum thermal machine that operates in a single reservoir at an effective negative temperature whose efficiency is always 100%, regardless of the unitary transformation carried out on the qubit, as long as its final state is different from its initial one. In this experiment we again use the carbon-hydrogen structure present in the polycrystalline sample of adamantane. As far as we know, this is the simplest and most efficient quantum thermal machine ever built. For all steps, we show that the theoretically predicted results are in very good agreement with the experimental data. Neste trabalho mostramos como projetar reservatórios com diferentes temperaturas efetivas para um sistema de único q-bit (quantum bit). Para esse fim, construímos uma interação apropriada entre um q-bit, isto é, um spin nuclear de 13C, e um reservatório, no nosso caso, um grande número de spins nucleares de hidrogênios que atuam como banho de spins. Para tal estudo, usamos a estrutura carbono-hidrogênio presente na amostra policristalina de adamantano. A interação que buscamos é construída aplicando-se uma sequência de pulsos de radiofrequência específica usando a técnica de ressonância magnética nuclear (RMN). A temperatura de todo o sistema pode ser controlada pela preparação do estado inicial dos spins nucleares dos hidrogênios e, assim, mostramos como construir reservatórios com temperaturas arbitrárias, inclusive temperaturas efetivas negativas. Como aplicação desses reservatórios artificiais, investigamos a implementação de máquinas térmicas quânticas. Primeiramente realizamos um experimento no qual um motor térmico quântico trabalha sob dois reservatórios, um a uma temperatura de spin positiva e outro a uma temperatura de spin efetiva negativa. Usamos a molécula de clorofórmio líquido para simular o sistema de q-bits. Mostramos que a eficiência dessa máquina térmica pode ser maior do que quando os dois reservatórios estão em temperaturas positivas. Também demonstramos um resultado contra intuitivo, em que a eficiência do ciclo e Otto pode ser superada e quando a máquina térmica quântica opera em um tempo finito, isto é, de forma não adiabática. Por fim, implementamos uma máquina térmica quântica que opera em um único reservatório a uma temperatura negativa efetiva cuja eficiência é sempre 100%, independente da transformação unitária realizada no q-bit, desde que seu estado final seja diferente de seu estado inicial. Nesse experimento utilizamos novamente a estrutura carbono-hidrogênio presente na amostra policristalina de adamantano. Até onde sabemos, essa é a máquina térmica quântica mais simples e eficiente já construída. Para todas as etapas, mostramos que os resultados previstos teoricamente estão em muito boa concordância com os dados experimentais. CAPES: código de financiamento - 001

Orientador: Antonio Vidiella Barranco Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: Neste trabalho, introduzimos um protocolo para a distribuição quântica de chaves (QKD) que faz uso de três estados comprimidos da luz: dois estados de bit, utilizados para a transmissão de informação, e um estado de Isca, utilizado para a detecção de espionagem. Seu desenvolvimento teve como base o protocolo de P. Horak (H04) para estados comprimidos, que por sua vez consiste de uma generalização do protocolo de R. Namiki e T. Hirano (NH03) para estados coerentes. Analisamos sua segurança considerando dois tipos de ataques: ataque por medida simultânea das quadraturas e ataque por troca do canal por canal superior. Para esta análise utilizamos uma descrição em termos da função de Wigner, obtendo a partir dela distribuições de probabilidade conjuntas e marginais. Da distribuição para os estados de Isca definimos uma Medida da Espionagem M, e discutimos sua utilidade para o cálculo da taxa de informação vazada para Eva em cada ataque. Por fim, para o ataque por troca do canal, analisamos o efeito da introdução de um limiar de pós-seleção sobre as informações de Bob e Eva, demonstrando que maiores distâncias de transmissão (menores transmissividades) podem ser suportadas pelo protocolo com o aumento deste parâmetro, ao custo de menores taxas de aceitação de bits Abstract: In this work, we introduce a new protocol for Quantum Key Distribution which makes use of three squeezed coherent states of light: two bit states, used for transmission of information, and a Decoy state, used for eavesdropping detection. Its development was based on the protocol for squeezed coherent states suggested by P. Horak [39], which in turn consists of a generalization of the protocol by R. Namiki and T. Hirano [38] for coherent states. We analyze its security by considering two kinds of attack: simultaneous quadrature measurement attack and superior channel attack. For this analysis we use a description in terms of the Wigner function, obtaining from it some joint and marginal probability distributions. From the distribution for the Decoy states we define an Eavesdropping Measure M, and discuss its usefulness in calculating the rate of information leaked to Eve in each attack. Finally, for the superior channel attack, we analyze the influence of a post-selection threshold over the Bob and Eve information, showing that, by raising this parameter, larger transmission distances (smaller transmittivities) can be handled by the protocol at the expense of lower bit acceptance rates Mestrado Física Geral Mestre em Física

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O emaranhamento é uma correlação puramente quântica capaz de permitir a realização de protocolos de informação tais como teletransporte quântico e criptografia quântica, e é um dos requisitos nas implementações de um computador quântico, o que torna a busca por estados emaranhados um fato de interesse prático. Nessa dissertação, busca-se apresentar a geração dinâmica de estados da classe GHZ de alta fidelidade em sistemas de N qubits de carga, que interagem via interação coulombiana e formados pela composição de pares de pontos quânticos nanoestruturados. Utilizando-se de condições específicas, concernentes a parâmetros no Hamiltoniano e condição inicial para a dinâmica, nota-se que o sistema pode se comportar aproximadamente como uma oscilação de dois níveis, contendo estados presentes na definição do GHZ. Propõe-se também um modelo efetivo, capaz de captar a essência da dinâmica completa e fornecer estimativas para importantes quantidades do sistema, principalmente seu período de oscilação, i.e., a escala temporal em que a dinâmica ocorre. Por fim, avalia-se a viabilidade experimental dos resultados aqui obtidos. Entanglement is at the heart of Quantum Mechanics, being a purely quantum correlation, with no analogous in Classical Mechanics. It is a resource that allows for the realization of protocols such as Quantum Teleportation and Quantum Cryptography, and a requirement for all implementations of a quantum computer. Thus, the search for entangled states is a matter of practical interest. In this dissertation, we present the dynamic generation of high fidelity GHZ class states in a system of N (up to 10) charged qubits, the latter interacting via a Coulomb-like interaction. Each qubit is to be considered a pair of quantum dots coupled by a tunneling parameter, sharing one extra electron. By utilizing specific conditions, regarding to parameters in the Hamiltonian and initial condition, we note the system to behave approximately as a two level one, containing states present in the GHZ definition. We also propose an effective model, which is capable of capture the dynamic’s complete essence and to provide estimations for some of the system’s important quantities, mainly the oscillation period, i.e., the time scale in which the dynamics takes place. We also analyse the experimental feasibility of the results here obtained. Dissertação (Mestrado)

Agradecimentos: C.G. and R.R. would like to thank Carlos Vieira, Marcelo Terra Cunha, and Roberto Baldijão for helpful discussions. The authors also thank R. Uola for useful suggestions. We acknowledge the John Templeton Foundation via the Grant Q-CAUSAL No. 61084, the Serrapilheira Institute (Grant No. Serra-1708-15763), the Brazilian National Council for Scientific and Technological Development (CNPq) via the National Institute for Science and Technology on Quantum Information (INCT-IQ), Grants No. 307172/2017-1 and No. 406574/2018-9, the Brazilian agencies MCTIC and MEC, the São Paulo Research Foundation FAPESP (Grant No. 2018/07258-7) and FAEPEX/UNICAMP (Grant No. 3044/19) Abstract: Preparing and measuring physical systems are the operational building blocks of any physical experiment, and to describe them is the first purpose of any physical theory. Remarkably, even when only uncharacterized preparation and measurement devices are present, it is sometimes possible to distinguish between the behaviors of quantum and classical systems from only observational data. Certifying the physical origin of measurement statistics in the prepare and measure scenario is of primal importance for developing quantum networks, distributing quantum keys, and certifying randomness, to mention a few applications, but, surprisingly, no general methods to do so are known. We progress on this problem by crafting a general, sufficient condition to certify that a given set of preparations can only generate classical statistics, for any number of generalized measurements. As an application, we employ the method to demonstrate nonclassicality activation in the prepare and measure scenario, also considering its application in random access codes. Following that, we adapt our method to certify, again through a sufficient condition, whether a given set of measurements can never give rise to nonclassical behaviors, irrespective of what preparations they may act upon. This, in turn, allows us to find a large set of incompatible measurements that cannot be used to demonstrate nonclassicality, thus showing incompatibility is not sufficient for nonclassicality in the prepare and measure scenario CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Aberto

Agradecimentos: We thank Renan Cunha for important discussions about relations to minimum-error state discrimination. We are all grateful to the reviewers for important suggestions that helped to improve the presentation and deepen the discussions; in particular, for pointing out the possibility of using Pˆ as a cutoff. R.D.B., R.W., B.A., and M.T.C. are grateful to the Brazilian agencies National Council for Scientific and Technological Development (CNPq) and Coordination for the Improvement of Higher Education Personnel (CAPES) for financial support. This work is part of the Brazilian National Institute for Science and Technology of Quantum Information (INCT-IQ). R.W. also acknowledges financial support by Portuguese funding institution, the Fundação para Ciência e Tecnologia (FCT), through scholarship No. SFRH/BD/151199/2021. R.D.B. acknowledges funding from Grant No. 2016/24162-8 from the São Paulo Research Foundation (FAPESP). This research was supported by Grant No. FQXi-RFP-IPW-1905 from the Foundational Questions Institute and Fetzer Franklin Fund, a donor advised fund of Silicon Valley Community Foundation. This work was also supported by the National Research, Development and Innovation Office of Hungary (NKFIH) through the Quantum Information National Laboratory of Hungary and through Grant No. FK 135220 Abstract: Quantum Darwinism proposes that the proliferation of redundant information plays a major role in the emergence of objectivity out of the quantum world. Is this kind of objectivity necessarily classical? We show that if one takes Spekkens's notion of noncontextuality as the notion of classicality and the approach of Brandao, Piani, and Horodecki to quantum Darwinism, the answer to the above question is "'yes," if the environment encodes the proliferated information sufficiently well. Moreover, we propose a threshold on this encoding, above which one can unambiguously say that classical objectivity has emerged under quantum Darwinism CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPES FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Aberto

Orientador: Thiago Pedro Mayer Alegre Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: Neste trabalho, discutimos desenvolvimentos experimentais baseados no uso de dispositivos optomecânicos. Inicialmente, exploramos o regime clássico, com dispositivos circulares numa plataforma em arsenieto de gálio. Nós desenvolvemos a fabricação de discos simples e nanoestruturados, simplificando o número de passos enquanto mantemos o confinamento óptico e aumentamos a frequência mecânica e o acoplamento optomecânico. Mostramos também como atingir o regime de bandas laterais resolvidas com estes dispositivos. Além disso, utilizamos dispositivos de silício para explorar as interações optomecânicas como um fenômeno quântico. Usando uma interação optomecânica pulsada, propomos e provamos o primeiro teletransporte quântico optomecânico, abrindo caminho para o uso de dispositivos optomecânicos como um nó de uma rede quântica. Por fim, desenvolvemos dispositivos bi-dimensionais em silício, explorando as características cristalinas deste tipo de geometria no regime quântico Abstract: In this work, we discuss experimental developments using optomechanical devices. Initially, we explore the classical regime, probing circular devices in a gallium arsenide platform. We develop the fabrication of simple and nanostructured microdisks. It reduces the number of steps while keeping high optical confinement and increasing mechanical frequencies and the optomechanical coupling constant. We show how to reach the sideband resolved regime using these devices. Moreover, we use silicon devices to explore the optomechanical interaction as a quantum phenomenon. We use a pulsed optomechanical interaction and propose and prove the first optomechanical quantum teleportation, paving the way to the use of optomechanical devices as a node in a quantum network. Finally, we develop bi-dimensional silicon devices, exploring the crystalline features of this type of geometry in the quantum regime Doutorado Física Aplicada Doutor em Ciências FAPESP 2016/18308-0 CAPES 1583245/2016

We present an energy scaling function to predict, in a specific range, the energy of bosonic trimers with large scattering lengths and finite range interactions, which is validated by quantum Monte Carlo calculations using microscopic Hamiltonians with two- and three-body potentials. The proposed scaling function depends on the scattering length, effective range, and a reference energy, which we chose as the trimer energy at unitarity. We obtained the scaling function as a limit cycle from the solution of the renormalized zero-range model with effective range corrections. We proposed a simple parametrization of the energy scaling function. Besides the intrinsic interest in theoretical and experimental investigations, this scaling function allows one to probe Efimov physics with only the trimer ground states, which may open opportunities to identify Efimov trimers whenever access to excited states is limited., Comment: 13 pages, 5 figures

Orientador: Rafael Luiz da Silva Rabelo Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: Espera-se que a comunicação quântica se torne uma tecnologia amplamente difundida, tendo como parte de sua base os protocolos de distribuição de chaves criptográficas, codificação superdensa, e os códigos de acesso aleatório. Embora as vantagens do uso de sistemas quânticos nesses protocolos tenham sido demonstradas por uma série de experimentos, ainda há muito a ser entendido acerca dos seus fundamentos teóricos. No cenário de preparação e medição — nosso principal tema — podemos encontrar uma base comum para todas essas tarefas. Um dos objetivos básicos nas tarefas de comunicação quântica é o de determinar quais sistemas quânticos podem superar a capacidade de suas contrapartidas clássicas, e quais são as estruturas quânticas por trás de tais comportamentos. Acerca disso, nosso principal resultado é uma série de condições capazes de certificar se um conjunto de preparações quânticas não apresenta vantagem em relação ao uso de sistemas clássicos para comunicação. Utilizando um desses critérios, evidenciaremos a existência de um fenômeno de ativação de não-classicalidade, intimamente conectado a vantagens quânticas em códigos de acesso aleatório. Através de um critério similar, também demonstraremos que a incompatibilidade de medições — uma das estruturas no cerne da teoria quântica — não é suficiente para explicar a origem dos comportamentos quânticos no cenário de preparação e medição. Apesar de diversas conexões entre códigos de acesso aleatório e cenários de preparação e medição já terem sido exploradas na literatura, a situação é oposta em relação à conexões com o protocolo de codificação superdensa. Em um primeiro passo nessa direção, discutiremos como mapear um cenário de codificação superdensa para um de preparação e medição, de modo a torná-los independentes de dispositivos. Com isso, poderemos construir testemunhas de emaranhamento, critérios para autoteste de estados maximamente emaranhados, e um método para otimizar a probabilidade de sucesso em protocolos de codificação superdensa Abstract: Quantum communication is expected to become a widespread technology. Dense coding, random access coding, and quantum key distribution are some of the most outstanding communication protocols where quantum systems provide advantage over their classical counterparts. These will arguably be building blocks for the so-called quantum internet, and recent experiments prove they are feasible in practice. Even so, much of their theoretical underpinnings are still poorly understood. Prepare and measure scenarios — our main theme in what is to come — are a useful abstraction within which a common basis for these protocols can be found. By hiding most implementation details, these semi-device independent scenarios also yield interesting insights into quantum theory itself. An objective of primal importance in quantum communication tasks is determining which quantum systems provide advantage over their classical siblings, and what are the quantum structures that enable this to happen. Our main progress in that regard consists in providing sufficient conditions to attest a given set of quantum states — the message carriers — are not advantageous. As it turns out, one of these conditions is closely linked to quantum random access coding, enabling us to prove a quantum advantage activation phenomenon for this communication task. From a more fundamental perspective, a similar criterion proves that measurement incompatibility — a promising candidate for the origin of strictly quantum behaviors — is insufficient to explain where this quantumness arises from. While some connections between prepare and measure scenarios and random access coding have already been explored in the literature, those of the former with the dense coding protocol have not. As a first step towards that end, I will provide a straightforward recipe that maps the dense coding protocol to prepare and measure scenarios, thereby turning them semi-device independent. Ensuingly, its analysis will provide us with entanglement witnesses, the possibility of self-testing maximally entangled states, and an optimization procedure for the dense coding protocol Mestrado Física Mestre em Física

Agradecimentos: The authors thank the Brazilian agencies CNPq, FAPEMIG, and CAPES for financial support. This work is part of the Brazilian National Institute for Science and Technology in Quantum Information. RDB acknowledges funding by São Paulo Research Foundation - FAPESP Abstract: Entangled quantum states play an important role in quantum information science and also in quantum mechanics fundamental investigations. Implementation and characterization of techniques allowing for easy preparation of entangled states are important steps in such fields. Here we generated entangled quantum states encoded in photons' transverse paths, obtained by pumping a nonlinear crystal with multiple transversal Gaussian beams. This approach allows us to generate entangled states of two qubits and two qutrits encoded in a Gaussian transversal path of twin photons. We make a theoretical analysis of this source, considering the influence of the pump angular spectrum on the generated states, further characterizing those by their purity and entanglement degree. Our experimental results reveal that the generated states present both high purity and entanglement, and the theoretical analysis elucidates how the pump beams profile can be used to manipulate such photonic states CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE MINAS GERAIS - FAPEMIG COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPES FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Fechado

Agradecimentos: S.D. acknowledges support from the U.S. National Science Foundation under Grant No. DMR-2010127. This research was supported by grant number FQXi-RFP-1808 from the Foundational Questions Institute and Fetzer Franklin Fund, a donor advised fund of Silicon Valley Community Foundation (SD). This work was conducted as part of the Undergraduate Research Program (K.W.) in the Department of Physics at UMBC. Abstract: In classical thermodynamics the Euler relation is an expression for the internal energy as a sum of the products of canonical pairs of extensive and intensive variables. For quantum systems the situation is more intricate, since one has to account for the effects of the measurement back action. To this end, we derive a quantum analog of the Euler relation, which is governed by the information retrieved by local quantum measurements. The validity of the relation is demonstrated for the collective dissipation model, where we find that thermodynamic behavior is exhibited in the weak-coupling regime Fechado

Orientador: Marcos César de Oliveira Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: Em 1975 Stephen Hawking deduziu que devido a efeitos da mecânica quântica um buraco negro formado via colapso gravitacional irá emitir um espectro térmico de partículas. Em 1976 William Unruh inspirado por esse resultado, descobriu que um observador de Rindler no espaço-tempo de Minkowski, vivendo em sua região de Rindler, percebe o vácuo de Minkowski como um banho térmico e, por conta da região de Rindler aproximar a geometria próxima do horizonte de eventos de um buraco negro eterno de Schwarzschild, o vácuo para um observador em queda livre seria percebido como um banho térmico pelo observador de Schwarzschild. Trabalhando com um exemplo simples que foi vastamente usado na literatura para esse tipo de investigação e empregando métodos de teoria de informação quântica, calculamos a correlação clássica, quântica e total entre os subsistemas observados por um observador de Minkowski e um observador de Rindler à esquerda ou à direita; e também por um observador em queda livre e um observador de Schwarzschild à esquerda ou à direita na região próxima ao horizonte. Conseguimos calcular o emaranhamento de formação para o estado experimentado pelos observadores de Rindler à esquerda e à direita, e vemos que este sinaliza a redistribuição de correlação devido a presença do horizonte causal. Concluímos que esse exemplo simples mostra que um horizonte causal de Rindler ou Schwarzschild redistribui correlações por intermédio do emaranhamento entre as duas partes causalmente desconexas do sistema Abstract: In 1975 Stephen Hawking derived that because of quantum mechanical effects a black hole formed by gravitational collapse will emit a thermal spectrum of particles. In 1976 William Unruh inspired by this discovered that one Rindler observer in Minkowski spacetime, living on its Rindler wedge, perceives the Minkowksi vacuum as a thermal bath and, since the Rindler wedge approximates the near-horizon geometry of an eternal Schwarzschild black hole, the vacuum state for a freely-faling observer would be perceived by as a thermal bath for a Schwarzschild observer. Working with a simple example that has been vastly used in the literature for this kind of investigation and employing quantum information methods, we compute classical, quantum and total correlations between the subsystems observed by a Minkowski and either a left or right Rindler observer; and also by a freely-falling and either a left or right Schwarzschild observer. We are able to compute the entanglement of formation for the state probed by the left and right Rindler observers and left and right Schwarzschild observers, and following the methods of we see that it signals the correlation redistribution imparted by the presence of the causal horizon. We conclude that this simple example shows that a causal horizon like the Rindler or Schwarzschild horizons redistribute correlations by means of entanglement between the two causally disconnected parts of the system Mestrado Física Mestre em Física CNPQ 132437/2017-1

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Este trabalho se propõe a realizar um estudo sobre circuitos fotônicos integrados. Nosso objetivo é desenvolver uma metodologia para a obtenção dos parâmetros de um circuito fotônico que nos permita realizar um conjunto de operações quânticas necessárias para a concretização de uma determinada tarefa ou processamento quântico. Mais especificamente, as tarefas quânticas envolvem a implementação de um POVM (Positive Operator Value Measure) através dos circuitos fotônicos integrados. Assim, buscamos obter configurações otimizadas para estes dispositivos de modo que a redução de sua complexidade estrutural simplifique seu processo de fabricação. Além disso, também é nosso objetivo que tais objetos apresentem robustez contra erros e perdas e que as aplicações experimentais que os envolvem apresentem uma minimização do tempo necessário para sua realização. Assim, estudamos as simetrias dos POVMs propostos para, a partir delas, configurar o circuito de forma otimizada. Inicialmente, estudamos o caso da tomografia de estados quânticos para qubits e qutrits. Obtivemos circuitos planares que apresentavam um número de elementos ópticos e uma profundidade óptica menores do que aqueles obtidos por métodos já conhecidos na literatura. Além disso, esses circuitos implementam todos os elementos de POVM de uma vez, sendo possível obter todas suas probabilidades associadas de uma vez, minimizando o tempo gasto no experimento em relação à experimentos em mesa óptica ou em circuitos reconfiguráveis, onde é necessário realizar alterações na configuração do aparato experimental de um elemento de um POVM para outro. Buscando uma forma de generalizar nosso protocolo para sistemas de maiores dimensões, desenvolvemos um método de obter circuitos fotônicos tridimensionais que podem ser utilizados na realização experimental de tomografia de estados quânticos em qudits de qualquer dimensão finita. Nosso protocolo gera circuitos cujo número de divisores de feixe e profundidade óptica escalam com funções um grau menor do que em outros protocolos já conhecidos, evidenciando uma drástica redução em sua complexidade. Além disso, esses circuitos apresentaram uma alta robustez em relação à ocorrência de perdas. O mesmo protocolo utilizado para obter circuitos tridimensionais para realização de tomografia quântica pode ser usado na obtenção de circuitos para implementar medidas de coerência quântica. Os circuitos aqui obtidos também apresentam as mesmas vantagens do caso tomográfico. This work proposes to carry out a study on integrated photonic circuits. Our goal is to develop a methodology for obtaining the parameters of a photonic circuit that allows us to perform a set of quantum operations necessary for the realization of a given task or quantum processing. More specifically, the quantum tasks involve the implementation of a POVM (Positive Operator Value Measure) through integrated photonic circuits. Thus, we seek to obtain optimized configurations for these devices so that the reduction of their structural complexity simplifies their manufacturing process. In addition, it is also our goal that such objects are robust against errors and losses and that the experimental applications that involve them present a minimization of the time necessary for their realization. We studied the symmetries of the proposed POVMs to, from them, configure the circuit in an optimized way. Initially, we studied the case of quantum state tomography for qubits and qutrits. We obtained planar circuits that had a smaller number of optical elements and an optical depth than those obtained by methods already known in the literature. In addition, these circuits implement all POVM elements at once, making it possible to obtain all their associated probabilities at once, minimizing the time spent on the experiment compared to experiments on an optical table or with reconfigurable circuits, where it is necessary to make changes to the configuration of the experimental apparatus from one POVM element to another. Looking for a way to generalize our protocol to larger systems, we developed a method to obtain three-dimensional photonic circuits that can be used in the experimental realization of quantum state tomography in qudits of any finite dimension. Our protocol generates circuits whose number of beam splitters and optical depth scale with functions less than in other protocols already known, showing a drastic reduction in their complexity. In addition, these circuits were highly robust in relation to the occurrence of losses. The same protocol used to obtain three-dimensional circuits for performing quantum tomography can be used to obtain circuits to implement quantum coherence measurements. The circuits obtained here also have the same advantages as the tomographic case.

Um detector uniformemente acelerado percebe o vácuo de Minkowski como um estado térmico. Em particular, para um campo escalar sem massa, os dois cenários -detector acelerado no vácuo e detector inercial em contato com um reservatório térmico- não podem ser diferenciados utilizando-se apenas um detector adimensional. Neste trabalho mostramos que os dois cenários podem ser diferenciados com o uso de um detector estendido de dimensão perpendicular à direção de aceleração. Verificamos também que os graus de liberdade internos do detector podem se correlacionar por meio de emissão espontânea, e portanto, dependem do estado inicial do detector. Foi observado que a produção e fluxos de entropia do detector também permitem distinguir os dois cenários: detectores com graus de liberdade mais emaranhados produzem menos entropia e vice-versa; o comprimento de onda da partícula buscada é uma distância crítica para a qual o comportamento dos dois sistemas se inverte. A uniformly accelerated detector perceives the Minkowski vacuum as a thermal state. In particular, for a massless scalar field, one cannot distinguish these two scenarios -accelerated detector in the vacuum and an inertial detector in contact with a thermal reservoir- just by using a point-like detector. In this work we show that one can probe the existence of acceleration by using an extended detector with dimension perpendicular to the acceleration direction. Also, we verify that the internal degrees of freedom of the detector may get entangled by a process of spontaneous emission, and as such is dependent on the initial state of the detector. It is found that the entropy production and entropy fluxes from out the detector also allow one to tell the two scenarios apart: more internal entangled detectors produce less entropy and vice-versa; the wavelength of the sought particle is the critical length at which the behavior of the two system is inverted. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES

Agradecimentos: The Authors acknowledge financial support from the Brazilian funding agencies Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ), Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) (Finance Code 001), and the Brazilian National Institute for Science and Technology of Quantum Information (INCT-IQ). A.O.J. acknowledges financial support by the Foundation for Polish Science through TEAM-NET project (Contract No. POIR.04.04.00-00-17C1/18-00) Abstract: The Solovay-Kitaev theorem allows us to approximate any single-qubit gate to arbitrary accuracy with a finite sequence of fundamental operations from a universal set of gates. Inspired by this decomposition, we present a quantum channel simulator capable of implementing any completely positive trace-preserving map. Our realization consists of one ancillary qubit, encoded in the transverse mode of a laser beam (orbital degree of freedom), one qubit system, encoded in its polarization (spin), one spin-orbit CNOT gate, and four single-qubit operations performed with prisms and polarization components. Our results describe the implementation of arbitrary single-qubit channels on the photon polarization using the transverse mode as the ancillary qubit CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ FUNDAÇÃO CARLOS CHAGAS FILHO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO - FAPERJ COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPES Fechado

Agradecimentos: We would like to thank Klemens Hammerer and Igor Marinkovic for valuable discussions. This work is supported by the Foundation for Fundamental Research on Matter (FOM) Projectruimte Grant No. 16PR1054, the European Research Council (ERC StG Strong-Q, Grant No. 676842), and the Netherlands Organization for Scientific Research (NWO/OCW), as part of the Frontiers of Nanoscience program, as well as through Vidi (Grant No. 680-47-541/994) and Vrij Programma (Grant No. 680-92-18-04) grants. R.B. and T.A. acknowledge funding from the Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Grants No. 2019/01402-1, No. 2016/18308-0, and No. 2018/15580-6) and from the Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Finance Code 001). B.H. also acknowledges funding from the European Union under a Marie Sklodowska-Curie COFUND fellowship Abstract: We present a discrete-variable quantum teleportation scheme using pulsed optomechanics. In our proposal, we demonstrate how an unknown optical input state can be transferred onto the joint state of a pair of mechanical oscillators, without physically interacting with one another. We further analyze how experimental imperfections will affect the fidelity of the teleportation and highlight how our scheme can be realized in current state-of-the-art optomechanical systems FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPES Fechado

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Nessa tese analisamos fenômenos de emaranhamento quântico em sistemas compostos por moléculas quânticas de pontos semicondutores, considerando dois modelos distintos. No primeiro, N moléculas, cada uma com um único elétron em excesso, interagem por meio do acoplamento de Coulomb. Esta interação está restrita ao caso de primeiros vizinhos. No segundo sistema, os elétrons de duas moléculas distintas interagem entre si por meio do acoplamento elétron-fônon. Considerando o sistema de N moléculas,ampliamos nossos estudos iniciados no mestrado e verificamos as características do espectro e dos autoestados de energia para sistema de moléculas onde tivemos como foco a escalabilidade do sistema e seu efeito no emaranhamento, identificando regiões de energia as quais estão associadas a estados maximamente emaranhados, independente do número de moléculas. Na segunda parte do trabalho, exploramos o emaranhamento tanto do subsistema eletrônico quanto do subsistema dos fônons, definimos uma nova base composta pelos estados eletrônicos de Bell associados aos estados de excitações nos modos vibracionais, oque permite reescrever o Hamiltoniano para o sistema composto. Essa nova interpretação possibilitou determinar um conjunto de subespaços de matrizes 4 ⊗ 4 que elucidou o comportamento do emaranhamento em ambos os subsistemas, possibilitando determinar conjuntos distintos de parâmetros eficazes em gerar estados altamente emaranhados ora no subsistema eletrônico ora no subsistema fonônico. In this thesis, we will analyze quantum entanglement phenomena in systems composed of quantum molecules, considering two different models. In the first, N molecules, each with a single excess electron, interact via Coulomb coupling. This interaction is restricted to the first neighbors. In the second system, electrons from distinct molecules interact with each other through the electron-phonon coupling. Considering the N-molecule system, we broadened our studies started in the master’s degree to verify the characteristics of the energy spectrum and eigenstates for the molecule system. We focus on the scalability of the system and its effect on entanglement, showing that some specific eigenstates are systematically associated with the maximally entangled GHZ states, regardless of the number of molecules. In the second part of the work, we explore the entanglement of both the electronic subsystem and the phonon subsystem, defining a new base composed of Bell’s electronic states associated with the excitation states in vibrational modes, which allows rewriting the Hamiltonian to the composite system. From this point of view, it is possible to determine a set of 4 ⊗ 4 matrix subspaces that elucidated the study of the entanglement behavior in both subsystems, allowing the determination of distinct sets of parameters effective in generating highly entangled states in the electronic subsystem and now in the phononic subsystem. Tese (Doutorado)

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Research in optical communication through atmospheric links faces many challenges in seeking for a reliable implementation. Coherent classical light, such as a laser beam propagating through the atmosphere, suffers a significant impact on signal quality due to atmospheric turbulence. Although there are several communication techniques to mitigate signal fading in classical light, any of these techniques do not eliminate the aberrations that come from several sources. Thus, it is worth to develop new techniques to soften even more the turbulence-induced perturbations. In this work, we study an experimental setup to mitigate turbulence-induced signal fluctuations, i.e., signal fading, on entangled photon beams, which leads us to a more stable communication. Twin-photons quantum states, spontaneously produced by parametric-down conversion, were used to demonstrate experimentally that an inversion of transverse coordinates of the correlation beam is sufficient to partially eliminate the aberrations caused by turbulent airflow. Furthermore, we show that not only a coordinate inversion does mitigate turbulence effects, but it completely eliminates the wavefront tilt aberration. Our evaluation reveals that optical communication through atmospheric links could benefit from using quantum states of light. A pesquisa em comunicação óptica por meio de links atmosféricos enfrenta uma série de desafios na busca por uma implementação confiável. A luz clássica coerente, como um feixe de laser propagando-se pela atmosfera por exemplo, sofre um impacto significativo na qualidade do sinal devido à turbulência atmosférica. Embora existam várias técnicas de comunicação para mitigar o desvanecimento do sinal na luz clássica, qualquer uma dessas técnicas não elimina completamente os efeitos indesejados. Assim, vale a pena desenvolver novas maneiras para suavizar ainda mais as perturbações induzidas pela turbulência. Neste trabalho, estudamos um arranjo experimental para mitigar as flutuações de sinal induzidas pela turbulência, ou seja, o desvanecimento do sinal, em feixes de fótons emaranhados, o que nos leva a uma comunicação mais estável. Estados quânticos de fótons gêmeos, espontaneamente produzidos por conversão paramétrica, foram usados para demonstrar experimentalmente que uma inversão das coordenadas transversais do feixe de correlação é suficiente para eliminar parcialmente as perdas de sinal causadas pelo fluxo turbulento de ar. Além disso, mostramos que não apenas uma inversão de coordenadas mitiga os efeitos de turbulência, mas também elimina completamente a aberração da inclinação da frente de onda. Nossa avaliação revela que a comunicação óptica através de canais atmosféricos pode se beneficiar do uso de estados quânticos para luz.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) In the present study, we review the one-qubit dynamics and we offer a new unifying interpretation of the Landau-Zenner and the Rabi dynamics, by indicating the physical elements responsible for the manifestation of one phenomenon or the other, without the need to define them as separate phenomena. Furthermore, we demonstrate the possibility of electrically implementing quantum gates with high fidelity in two different platforms of quantum dots, with the assistance of the two-point boundary-value quantum control paradigm (TBQCP). In the first platform consisting of a double quantum dot (DQD) embedded in a nanowire, we optimized single qubit pulses corresponding to three quantum gates assuring a fidelity for every gate higher than 0,99. Also we compare the dynamical efficiency of the optimized pulses via the TBQCP method, respect to the other dynamical mechanisms (Rabi and Landau-Zener); and we found that TBQCP can provide pulses that can perform tasks in shorter times. For the second platform consisting of an electrostatical DQD, we implement the quantum permutation algorithm (QPA), which requires the quantum superposition of states with well-defined relative phases. Because of the necessity of using at least a three level system in this algorithm, we use hybrid qubits instead of spin qubits. In order to find the optimal AC electric fields that implement the required quantum gates, we apply the TBQCP method. By employing such method, we were able to determine optimal electric pulses that perform the quantum gates with high fidelity and in times faster than decoherence and relaxation time. Our results demonstrate the possibility of achieving all-electrical universal quantum gates in DQDs by means of optimal quantum control. Neste trabalho, revisamos a dinâmica de um-qubit e oferecemos uma interpretação unificadora das dinâmicas de Landau-Zener e de Rabi, indicando os elementos físicos responsáveis pela manifestação de um fenômeno ou de outro, sem a necessidade de defini-los como fenômenos separados. Além disso, demonstramos a possibilidade de implementar portas quânticas de alta fidelidade em duas plataformas diferentes de pontos quânticos, com a assistência do método numérico da teoria de controle ótimo quântico “two-point boundary-value quantum control paradigm ” (TBQCP). Na primeira plataforma que consiste de um ponto quântico duplo (DQD) incorporado em um nanofio, otimizamos pulsos elétricos correspondentes a três portas quânticas de um-qubit com fidelidade maior que 0,99. Também comparamos a eficiência da dinâmica com o pulso otimizado obtida através do TBQCP em relação aos outros mecanismos dinâmicos (Rabi e Landau-Zener); e descobrimos que o TBQCP pode fornecer pulsos capazes de executar tarefas em tempos mais curtos. Para a segunda plataforma que consiste de um DQD eletrostático, implementamos o algoritmo de permutação quântica (QPA), o que requer a superposição quântica de estados com fases relativas bem definidas. Devido à necessidade de usar pelo menos um sistema de três níveis nesse algoritmo, usamos qubits híbridos em vez de spin qubits. Para encontrar os campos elétricos AC ideais que implementam as portas quânticas necessárias, aplicamos o método TBQCP. Empregando esse método, fomos capazes de determinar pulsos elétricos ideais que executam as portas quânticas com uma alta fidelidade e em tempos mais rápidos do que os tempos de decoerência e relaxamento. Os nossos resultados demonstram a possibilidade de realizar portas quânticas universais totalmente elétricas em DQDs por meio do controle ótimo quântico. CAPES: código de financiamento - 001

Submitted by Caio Amaral Custodio (caio.custodio@unesp.br) on 2019-10-23T01:08:54Z No. of bitstreams: 1 final.pdf: 5222222 bytes, checksum: b3bf88d48e58189be94934702c7e6620 (MD5) Approved for entry into archive by Valeria Aparecida Moreira Novelli (valeria.novelli@unesp.br) on 2019-10-25T22:07:13Z (GMT) No. of bitstreams: 1 custodio_ca_me_araiq_int.pdf: 5222222 bytes, checksum: b3bf88d48e58189be94934702c7e6620 (MD5) Made available in DSpace on 2019-10-25T22:07:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 custodio_ca_me_araiq_int.pdf: 5222222 bytes, checksum: b3bf88d48e58189be94934702c7e6620 (MD5) Previous issue date: 2019-09-06 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Nesse trabalho propomos o desenvolvimento de redes neurais artificiais capazes de fornecer a energia do estado fundamental do modelo de Hubbard para nanoestruturas fermiônicas interagentes e homogêneas. Uma vez otimizado o funcional via rede neural, este pode ser usado como input em cálculos de funcionais da densidade para sistemas heterogêneos. O modelo neural obtido mostrou um desempenho excelente, com desvios menores que ∼ 0,2%, recuperando todos os regimes de densidade, magnetização e uma vasta extensão de regimes de interação, quando comparado com resultados numéricos exatos. Comparado à funcionais analíticos, o modelo neural é mais preciso em todos os regimes de parâmetros, especialmente no regime de fraca interação, onde o funcional analítico mais recente apresenta um grande desvio: ∼ 7%, contra ∼ 0,1% para o nosso modelo neural. Aplicado em aproximações de densidade local para cálculos de DFT para cadeias finitas e com heterogeneidades, como impurezas localizadas e potenciais confinantes, nosso modelo neural se mostrou uma alternativa confiável e usando apenas uma fração dos recursos computacionais de outros tratamentos numéricos. In this work we propose an artificial neural network model to the ground-state energy of fermionic interacting particles in homogeneous chains described by the Hubbard model. Once the neural network functional is optimized, it can be used as input in density functional calculations for inhomogeneous systems. The neural network model obtained, showed excellent performance, deviating by less than ∼ 0.2%, recovering all regimes of density and magnetization and for a vast range of interactions when compared to exact numerical results. Compared to analytical functionals, the neural network is more accurate in all regimes of parameters, especially at the weakly interacting regime, where the most recent analytical parametrization fails the most: ∼ 7%, while only ∼ 0.1% for our neural network model. When applied in local density approximations for density functionals calculations for finite chains with inhomogeneities, such as localized impurities and confining potentials, our neural model has proven to be a reliable alternative, while using only a fraction of the computational resources from other numerical treatments. 33004030072P8

We describe a method to dispersively detect all three vector components of an external magnetic field using alkali-metal atoms based on the Voigt effect. Our method relies on measuring the linear birefringence of the radio-frequency dressed atomic medium via polarization homodyning. This gives rise to modulated polarization signals at the first and second harmonic of the dressing frequency. The vector components of the external magnetic field are mapped onto the quadratures of these harmonics. We find that our scheme can be utilized in both cold and hot atomic gases to detect such external fields in shielded and unshielded environments. In the shielded hot vapor case we achieve field sensitivities in the $\mathrm{pT}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$ range for all three vector components, using pump-probe cycles with 125-Hz repetition rate, and limited by the short coherence time of the cell. Finally, our scheme has a simple single axis beam geometry, making it advantageous for miniature magnetic-field sensors.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior INCT – Instituto nacional de ciência e tecnologia (Antigo Instituto do Milênio) Em 1984, Berry descobriu a chamada fase geométrica que passou a ser um parâmetro de caracterização do sistema quântico de duas ou mais partes. Segundo Berry, a fase geométrica carrega consigo as propriedades geométricas e topológicas do espaço de parâmetros. A fase topológica fracionária (FTF), cujo o valor é 2π/d, onde d é a dimensão do subsistema bipartido de dois qudits, foi descoberta por Khoury e Oxman em 2011. A FTF 2π/d traz como assinatura a dimensão d de um dos subsistemas do espaço de Hilbert associado ao estado bipartido. Neste trabalho, utilizamos o formalismo de Mapas de Kraus para demonstrar teoricamente que a FTF é robusta aos ruídos de defasagem e de amplitude a partir da proposta teórica de medir a FTF (Phys. Rev. A, 87: 042 113, 2013) *. Demonstramos experimentalmente que a FTF é robusta ao ruído de defasagem. Para demonstrar teoricamente a robustez da FTF, nos baseamos em duas propostas experimentais: uma fonte interferométrica constituída por interferômetros de Mach-Zehnder com PBSs imersos em um interferômetro composto por um cristal gerador de pares de fótons e PBS * (esta composição pode ser chamada de Mach-Zehnder triplo composto com PBSs); uma fonte de pares de fótons hiperemaranhada (polarização e caminho). Para a fonte interferométrica, apresentamos uma simplificação que possibilita medir a FTF apenas com o interferômetro Cristal-PBS sem os interferômetros de Mach-Zehnder. Já a fonte hiperemaranhada é uma técnica nova para medir a FTF com melhor aproveitamento do sinal e maior estabilidade que os interferômetros. Além disso, embora com alguns prejuízos quanto às possibilidades de evoluções SU(d) do estado, a fonte hiperemaranhada possibilita eliminar totalmente a necessidade de interferômetro na medida da FTF – procedimento ainda não utilizado até a publicação do nosso trabalho experimental. Experimentalmente, demonstramos que a fonte hiperemaranhada implementa a medida da FTF sem a necessidade de interferometria. Com essa montagem, fomos capazes de demonstrar a robustez da FTF mediante a presença de ruído de defasagem e observar grande consistência entre os resultados experimentais e as previsões do modelo teórico. Este fato nos leva a crer que a FTF é uma candidata realmente confiável à implementação de algoritmos quânticos baseados em fase topológica. Elementos insensíveis a ruídos são centrais para aplicações da informação quântica, pois a manipulação da informação e a sua propagação significa atuar sobre o estado quântico ou colocá-lo em contato com ruído. O estado em geral se mostra extremamente sensível às operações experimentais e interação ruidosas, o que muitas vezes descaracterizam a informação contida no estado. In 1984, Berry discovered the Geometric Phase that became a characterization parameter of a quantum system. According to Berry, the geometric phase carries itself the geometric and the topologic properties of the parameter space. The Fractional Topological Phase (FTP), whose value is 2π/d, where d is the dimension of the bipartite subsystem of a two qudits state, was discovered by Khoury and Oxman in 2011. The FTP 2π/d brings as a signature the dimension d of a subsystem of the Hilbert Space associated with the bipartite state. In this work, we use the Kraus’ Maps formalism to theoretically demonstrate that the FTP is robust to the dephasing and amplitude damping noises. Our calculation uses the theoretical proposal for measuring the FTP discussed in Phys. Rev. A, 87: 042 113 (2013) *. We demonstrate experimentally that the FTP is robust to the dephasing noise. In the theoretical demonstration of the FTP’s robustness that guided our calculation, we based on two experimental proposals. The first one was an interferometer in photon paths variables consisting of two Mach-Zehnder interferometers with PBSs immersed in an interferometer composed of a crystal and a PBS * (this composition can be called a triple composite Mach-Zehnder with PBSs). The second one uses a source of hyperentangled photons pairs, in the polarization and photon paths parameters. For the interferometer in paths variables, we present a simplification that is able to measure the FTP only with the interferometer Crystal-PBS without the Mach-Zehnders. The hyperentangled source is a new technique to measure the FTP with better use of the signal and greater stability of the interferometer. In addition, although there are some losses in relation to the possibilities of SU(d) evolutions of the states, the hyperentangled source is able to eliminate completely the use of interferometry in path variables in the FTP measurement – a procedure not yet used until the publication of our experimental work. We demonstrate experimentally that the hyperentangled source implements the FTP measurement without the need of photon path interferometry. With this setup, we are able to demonstrate the robustness of FTP by the presence of dephasing noise and observe great consistency between the experimental results and the theoretical model predictions. This fact leads us to believe that FTP is a really reliable candidate for the implementation of quantum algorithms based on topological phase. Noise insensitive elements are central to quantum information applications because manipulation of information and its propagation means acting on the quantum state or putting it in contact with environment noise. In general, the state is extremely sensitive to environment noisy operation and interaction, which often destroy the information contained in the state.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Entanglement is certainly one of the most fascinating phenomena observed in Nature, and even after decades of research in entanglement theory there is still much to be discovered and understood. In particular, there are still few results detailing and characterizing the entanglement structure in strongly correlated systems on a large scale, involving a large number of subsystems. The most typical approach for studying in detail the entanglement structure in quantum states has been through the optimization of Entanglement Witnesses, optimized by means of algorithmic techniques such as Semidefinite Programming applied to matrices. However, this matrix description renders the technique computationally nonviable for large scale systems due to the exponential growth of the dimension of the optimization parameters. All these techniques are nonviable for a relatively small number of particles (on the order of n ~ 10^1). For these reasons, Tensor Networks have attracted the attention of researchers over the last decades for being more efficient ways to describe and simulate quantum systems composed of many parts, as they are more natural and efficient descriptions of the quantum correlations between subsystems. However, few progress has been made for the detailed characterization of entanglement in such systems, and the literature still hasn't fully bridged the gap between the two formalisms. In this work, we propose a small step towards the goal of adapting the formalism of entanglement witnesses in a way which is compatible with the description of quantum systems by means of tensor networks, making it possible the characterization of entanglement in large scale systems. Emaranhamento é certamente um dos fenômenos mais fascinantes observados na Natureza, e mesmo após de décadas de pesquisas na teoria de emaranhamento ainda há muito a ser descoberto e entendido. Em particular, ainda há poucos resultados detalhando e caracterizando a estrutura do emaranhamento em sistemas fortemente correlacionados em larga escala, envolvendo um número grande de subsistemas. A forma mais comum de se estudar detalhadamente a estrutura de emaranhamento em estados quânticos tem sido através da otimização de Testemunhas de Emaranhamento (Entanglement Witnesses), otimizadas utilizando-se técnicas algorítmicas como Programação Semidefinida (Semidefinite Programming) aplicada à matrizes. No entanto, esta descrição matricial torna a técnica computacionalmente inviável para sistemas em larga escala devido ao crescimento exponencial da dimensão do espaço de parâmetros a serem otimizados. Todas as técnicas se tornam inviáveis para um número relativamente pequeno de partículas (na ordem de n ~ 10^1). Por estes motivos, Redes Tensoriais (Tensor Networks) têm atraído a atenção de pesquisadores nas últimas décadas por serem formas eficientes de descrever e simular sistemas quânticos compostos de muitas partes, pois são descrições mais naturais e eficientes das correlações quânticas entre os subsistemas. No entanto, pouco tem sido feito para caracterização detalhada do emaranhamento em tais sistemas, e a literatura ainda carece de uma ponte entre os dois formalismos. Neste trabalho, propomos um primeiro pequeno passo rumo ao objetivo de adaptar o formalismo de testemunhas de emaranhamento de forma compatível com a descrição de sistemas quânticos através de redes tensoriais, tornando possível a caracterização de emaranhamento em sistemas de larga escala.

Informação quântica é rica em aplicações em teoria quântica de campos, derivadas do paradigma holográfico. Nesta dissertação, nós revisamos técnicas para o cálculo entropia de emaranhamento de campos quânticos bosônicos em espaço-tempo plano e as estende Quantum information has a wealth of applications in quantum eld theory stemming from the holographic paradigm. In this dissertation, we review techniques for computing the entanglement entropy of bosonic quantum elds in at spacetime and extend them to the

BARBOSA, Daniel Felinto Pires, também é conhecido(a) em citações bibliográficas por: FELINTO, Daniel CAPES Nesta dissertação são apresentadas minhas contribuições na construção de uma Armadilha Magneto-Óptica (AMO) e na implementação experimental do protocolo DLCZ no Laboratório de Redes Quânticas da UFPE. Entre elas estão a montagem da cabeça de um laser de diodo (Teco), um controlador de temperatura digital em Arduino, bobinas para geração de campos magnéticos, entre outras. A AMO se baseia na força por pressão de radiação que a luz exerce sobre a matéria. Ao combinar um campo magnético inomogêneo com três pares de feixes de laser contrapropagantes de polarizações circulares opostas, conseguimos criar uma força viscosa e restauradora que resfria e aprisiona os átomos em torno da origem definida pelo campo magnético, formando uma nuvem fria de átomos. Como parte do esforço coletivo para sua construção, montei ainda um sistema de absorção saturada do laser Teco, o feixe de rebombeio e as bobinas para os campos magnéticos de compensação e armadilhamento. A temperatura que a nuvem atômica atinge é da ordem de 1mK, sua dimensão é de ~ 3mm e conseguimos armadilhar cerca de 10⁸ átomos. Uma vez formada a nuvem de átomos frios e armadilhados, desligamos os feixes que sustentam a AMO e realizamos o experimento de geração de pares de fótons individuais seguindo o protocolo de informação quântica DLCZ, onde contribuí com a montagem do feixe de leitura. Com a ajuda do Time-Multiplexed Detector que implementei, fazemos a deteção dos fótons gerados e obtemos as estatísticas necessárias para sua caracterização. A partir dos dados obtidos, determinamos se os pares de fótons gerados estão em um regime não-clássico. In this dissertation we present my contributions in the setup of a Magneto-Optical Trap (MOT) and in the experimental implementation of the DLCZ protocol in UFPE’s Quantum Network Laboratory. Among them, it is the assembly of the head of a diode laser (Teco), a digital temperature controller in Arduino, coils for the generation of magnetic fields, and others. The MOT is based on the radiation pressure force that light exerts on matter. By combining an inomogeneous magnetic field with three pairs of counter-propagating laser beams with opposing circular polarizations, we are able to create a viscous and restoring force that cools and traps the atoms around the origin defined by the magnetic field, forming a cold cloud of atoms. As part of the collective effort for its construction, I set up the saturated absorption of the laser Teco, the repump beam and the coils for the magnetic fields of compensation and trapping. The atomic cloud reached temperatures of the order of 1mK, its size is ~ 3mm and we trapped about 10⁸ atoms. Once the cold cloud of atoms is formed, we turn off the MOT beams and begin the experiment of generation of pairs of individual photons following the DLCZ quantum information protocol, where I contributed with the assembly of the read beam. With the help of the Time-Multiplexed Detector that I set up, we make the detection of the generated photons and we obtain the necessary statistics for its characterization. From the obtained data, we determine whether the generated pair of photons are in a non-classical regime.

Made available in DSpace on 2019-10-06T16:41:26Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2019-07-24 Here we introduce the all-creation and all-annihilation time-dependent (TD) PT-symmetric bosonic Hamiltonians, which in the interaction picture are described only by creation or annihilation operators. These Hamiltonians are defined from the most general TD PT-symmetric quadratic bosonic Hamiltonian, describing a cavity mode under linear and parametric amplifications. After presenting a general ansatz for the derivation of the TD Dyson map and metric operators, we solve the Schrödinger equations for both the PT-symmetric Hamiltonian and its Hermitian counterpart. We then compute analytically the squeezing degree coming from the all-annihilation Hamiltonian and compare the result with that coming from an ordinary Hermitian Hamiltonian, showing a crucial result for interferometric procedures: instead of the asymptotic divergence of the squeezing degree that takes place for a Hermitian parametric pumping, the all-annihilation amplification leads to a divergence of that quantity at a finite controllable time. Universidade Estadual Paulista (UNESP) Campus Experimental de Itapeva Instituto de Física de São Carlos Universidade de São Paulo, Caixa Postal 369 São Carlos Universidade Estadual Paulista (UNESP) Campus Experimental de Itapeva

Orientador: Prof. Dr. Roberto Menezes Serra Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, Santo André, 2019. Quantum thermodynamics is an exciting research eld that studies the characterization and manipulation of physical quantities such as energy and entropy, at scales so small that quantum eects become important. In this regime, typical thermal uctuations are accompanied by uctuations of quantum nature, rendering work itself an intrinsically stochastic variable. This in turn implies that a clear distinction between microscopic work and microscopic heat can be subject to conceptual and experimental diculties. While providing sensible denitions of work and heat is necessary for the internal consistency of the theory, the thermodynamics of quantum systems comprises the study of other forms of energy, including the charge of quantum batteries. Moreover, the presence of coherence and correlations endows the quantum ecosystem with some unique thermodynamic traits. The results presented in this thesis are aligned with the previous considerations. We study the thermodynamic limitations for the interconversion between dierent forms of energy in three scenarios: the energy transfer between two quantum systems, the conversion of thermal energy into charge of a quantum battery, and the operation of quantum heat engines that deliver work to an external classical eld. By introducing a general formalism for the description of the energy transfer, we characterize this process for initial states without quantum coherence and elucidate how such a resource can contribute to its optimization. In the case of two qubits, it is shown that coherence maximizes the energy exchange, and is the property responsible for the reversion of the natural heat ow. We analytically derive the maximum charge (charging capacity) of a three-level quantum battery that is charged via a two-qubit heat engine. We study how the charge relates to the charging power and the charging eciency in the transient operation regime, considering also the corresponding ergotropy increase. Although much research has been devoted to the analysis of quantum heat engines, there are few works addressing this topic in full generality. We derive exact expressions for the eciency of two thermodynamic cycles employed to extract work, for a generic working medium and under few assumptions concerning the cycle implementation. We further characterize the impact of dierent types of correlations and show that initially correlated reservoirs can enhance the eciency. With the promising panorama of emergent quantum technologies, it is expected that quantum thermodynamics will provide tools for the ecient supply and processing of energy in quantum devices, complementing the role that quantum information science and quantum computing have for the corresponding information processing. We hope that our work contributes to this endeavor and inspires related investigations of theoretical and applied nature. A termodinâmica quântica é um apasionante campo de pesquisa que estuda a caracteriza ção e manipulação de grandezas físicas como energia e entropia, em escalas tão pequenas que os efeitos quânticos se tornam importantes. Neste regime, as utuações térmicas típicas são acompanhadas por utuações de natureza quântica, fazendo com que o trabalho seja uma variável intrinsecamente estocástica. Isso, por sua vez, implica que uma clara distinção entre trabalho e calor microscópicos pode estar sujeita a diculdades conceituais e experimentais. Embora seja necessário forneçer denições sensíveis de trabalho e calor para a consistência interna da teoria, a termodinâmica dos sistemas quânticos abrange o estudo de outras formas de energia, incluindo a carga de baterias quânticas. Além disso, a presença de coerência e correlações confere ao ecossistema quântico algumas características termodinâmicas únicas. Os resultados apresentados nesta tese estão alinhados com as considerações anteriores. Estudamos as limitações termodinâmicas para a interconversão entre diferentes formas de energia em três cenários: a transferência de energia entre dois sistemas quânticos, a conversão de energia térmica em carga de uma bateria quântica, e a operação de motores térmicos quânticos que fornecem trabalho a um campo clássico externo. Introduzindo um formalismo geral para a descrição da transferência de energia, caracterizamos esse processo para estados iniciais sem coerência quântica e elucidamos como tal recurso pode contribuir a sua otimização. No caso de dois qubits, é mostrado que a coerência maximiza a troca de energia, e é a propriedade responsável pela reversão do uxo de calor natural. Derivamos analiticamente a carga máxima (capacidade de carga) de uma bateria quântica de três níveis que é carregada através de um motor térmico de dois qubits. Estudamos como a carga se relaciona com a potência de carregamento e a eciência de carregamento no regime de operação transitória, considerando também o aumento correspondente de ergotropia. Apesar de que muita pesquisa foi dedicada à análise de máquinas térmicas quânticas, há poucos trabalhos abordando este tópico com total generalidade. Nós derivamos expressões exatas para a eciência de dois ciclos termodinâmicos empregados para extrair trabalho, para um meio de trabalho genérico e sob poucas suposições com relação à implementação dos ciclos. Além disso, caracterizamos o impacto de diferentes tipos de correlações e mostramos que reservatórios inicialmente correlacionados podem aumentar a eciência. Com o panorama promissor das tecnologias quânticas emergentes, espera-se que a termodinâmica quântica forneça ferramentas para o abastecimento e processamento e- cientes de energia em dispositivos quânticos, complementando o papel que a ciência da informação quântica e a computação quântica têm para o correspondente processamento de informação. Esperamos que nosso trabalho contribua para esse esforço e inspire investiga ções relacionadas de natureza teórica e aplicada.

CAPES CNPq In this work we study quantum transport phenomena in two different types of systems. The first type corresponds to so-called complex quantum systems, such as chaotic ballistic cavities and disordered quantum wires, which have a complex distribution of energy levels and transmission eigenvalues. This class of system does not admit a simple description in terms of a fixed Hamiltonian, and therefore we will make a statistical approach of its transport properties through Random Matrices Theory. We obtain exact expressions for the first three moments of the heat conductance of a quantum chain that crosses over from a superconducting quantum dot to a superconducting disordered quantum wire. Our analytic solution provides exact detailed descriptions of some smooth transitions that can be observed in the system as a function of its length, which include ballistic-metallic and metallic-insulating transitions. The two Bogolyubov de Gennes symmetry classes with time-reversal symmetry are accounted for. The striking effect of total suppression of the insulating regime in systems with broken spin-rotation invariance is observed at large length scales. For a single channel system, this anomalous effect can be interpreted as a signature of the presence of the elusive Majorana fermion in a condensed matter system. The second type of system corresponds to qubits, which, unlike complex systems, can be described by very simple Hamiltonians. In this case, we study the properties of open systems using master equations. We present a study of non-equilibrium thermodynamics of qubit systems submitted to quantum control. More specifically, we performed a comparative study of two types of simple two-level non-interacting quantum transport systems coupled to two bosonic and fermionic reservoirs respectively. Each system is submitted to a Wiseman-Milburn type feedback scheme in the formulation of stochastic thermodynamics. We see the effects of finite temperature and time delay on two specific feedback applications: a heat pump and a purification protocol. We observed a clear signature of the purity of the qubits in the Full Counting Statistics observed in the current flowing through the system. Neste trabalho estudamos fenômenos de transporte quântico em dois diferentes tipos de sistemas. O primeiro corresponde aos chamados sistemas quânticos complexos, como cavidades balísticas caóticas e fios quânticos desordenados, que possuem uma distribuição complexa de níveis de energia e de autovalores de transmissão. Estos sistemas não admitem uma descrição simples em termos de um hamiltoniano fixo, e portanto faremos uma abordagem estatística das propriedades de transporte através da teoria da matrizes aleatórias. Obtivemos expressões exatas para os três primeiros momentos da condutância térmica de uma cadeia quântica que interpola entre um ponto quântico supercondutor e um fio quântico desordenado supercondutor. Nossa solução analítica fornece descrições detalhadas exatas de algumas transições suaves que podem ser observadas no sistema em função de seu comprimento, que incluem transições balístico-metálico e metálico-isolante. As duas classes de simetria de Bogolyubov de Gennes com simetria de inversão de tempo são contabilizadas. O efeito marcante da supressão total do regime de isolamento em sistemas com invariância de rotação quebrada é observado em grandes escalas de comprimento. Para um sistema de canal único, esse efeito anômalo pode ser interpretado como uma assinatura da presença de um férmion de Majorana em um sistema de matéria condensada. O segundo tipo de sistema corresponde a qubits, que ao contrário dos sistemas complexos, podem ser descritos por hamiltonianos simples. Neste caso, estudamos propriedades de sistemas abertos usando equações mestras. Apresentamos um estudo da termodinâmica de não-equilíbrio de sistemas de qubits submetidos a controle quântico. Especificamente, fizemos um estudo comparativo de dois tipos de sistemas de transporte quântico simples não interagentes de dois níveis acoplados a dois reservatórios bosônicos e fermiônicos respectivamente. Cada sistema é submetido a um esquema de realimentação do tipo Wiseman-Milburn, no âmbito da formulação da termodinâmica estocástica. Vemos os efeitos da temperatura finita e do tempo de atraso em duas aplicações específicas do feedback: uma máquina de bombeamento e um protocolo de purificação. Observamos uma clara assinatura da pureza dos estados nos qubits na estatística de contagem observada na corrente que atravessa o sistema.

Neste trabalho exploramos algumas ferramentas da Tomografia de Estados Quânticos em sistemas de Variáveis Contínuas. O conceito de estados quânticos na representação do espaço de fase é introduzido em uma simples abordagem utilizando um pequeno número de conceitos estatísticos. Ao contrário da maioria dos textos em Informação Quântica no qual a função de Wigner de estado de um modo é mais usual, neste texto a função de Wigner multi-modos é explorada. Nossa investigação numérica aponta o método de reconstrução utilizando o algoritmo de back-projection adiciona erro devido a escolha da frequência de corte, sendo assim é necessário utilizar pós processamento dos dados, como programas semi definidos, que provem condições suficientes para estimar corretamente o estado. Uma vez que a informação sobre o estado é recuperada, características importantes como o emaranhamento também podem ser investigadas. In this work we have explored few tools in Quantum State Tomography for Continuous Variable Systems. The concept of quantum states in phase space representation is introduced in a simple manner by using a few statistical concepts. Unlike most texts of Quantum information in which the Wigner function for a single mode is often more used, in this text the multi-modes state Wigner function is also developed. Our numerical investigations indicate that the reconstructed method using back-projection add some error due the choice of cutoff frequency, therefore it is necessary to use data post-processing, like the semi-definite programs, which provides sufficient conditions correctly estimate the state. Once the information about the state is recovered, important features such as entanglement can also be investigated.

Os postulados da mecânica quântica geram condições que garantem a segurança dos protocolos quânticos de distribuição de chaves criptográficas (QKD), essenciais à criptografia quântica. Uma espiã que deseje interceptar a construção da chave em um protocolo de QKD não poderá discriminar entre dois ou mais estados quânticos com certeza absoluta caso os mesmos sejam não-ortogonais e, além disso, ela não poderá clonar este estado. Essas limitações físicas fazem com que a espiã busque por outras formas de ataque aos protocolos. Diferentes estratégias de discriminação de estados foram criadas e elas podem ser aplicadas para a espionagem em QKD. Tais estratégias atendem aos objetivos de quem as utiliza, como minimizar a probabilidade média de erro ou obter a maior confiança possível na identificação de um estado. Todas elas, porém, não são capazes de identificar um estado perfeitamente e isso fará com que, quando utilizadas com o intuito de espionar, surjam incompatibilidades nas chaves criadas. Os propósitos desse trabalho são dois: primeiramente, estudar a aplicação da discriminação de estados quânticos em ataques a dois protocolos de QKD, sendo eles o B92 e o PBC00; em segundo lugar, analisar a taxa de erro que as diferentes estratégias introduzem nas chaves criptográficas. Considerando ataques de interceptação-reenvio, mostra-se quais estratégias são mais vantajosas para a espiã permanecer indetectável e quais medidas os comunicadores podem utilizar para se defenderem The postulates of quantum mechanics generates conditions that garantee the security of quantum key distribution (QKD) protocols, essencials to quantum cryptography. A spy that wishes to intercept the construction of a key in a QKD protocol will not be able to discriminate between two or more quantum states with certainty if they are non-orthogonal and, besides that, she will not be able to clone the states. These physical limitations compel the spy to search for different ways of attacking the protocols. Several state-discrimination strategies were created and they can be applied in the spying of QKD. Each strategy has its own purpose that fits the necessity of whom is using them, like the minimzation of the average probability of error or to attain the the maximum confidence possible in the identification of a state. All of them, however, are not capable of perfectly identifying a state and, accordingly, when they are used as tools for spying, they will create mismatches between the keys created by the protocols. The goals of this work are twofold: firstly, study the attack of QKD protocols, as the B92 and the PBC00, using discrimination of quantum states; secondly, analyze the error rate that different strategies introduce to the keys. Considering intercept-resend attacks, one shows which strategies are more advantageous to the spy so she can remain undetected and how the users of the protocol can defend themselves