Manipulação e mapeamento de correlações quânticas em estados de quatro qudits espaciais

• Autor(a) principal: Pierre-louis de Assis
• Data de Publicação: 2011
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/IACO-8NPML4
• topic: Manipulação e mapeamento de correlações; Qudits Computação quântica; Laser pulsado; Informação quântica; Conversão paramétrica descendente; Física

Nos seus trinta anos de existência a Informação Quântica teve grande êxito em propor protocolos e algoritmos envolvendo sistemas quânticos de dois níveis, chamados de qubits. Mostrou-se a possibilidade de distribuição segura de chaves criptográficas e algoritmos quânticos capazes de resolver tarefas como a fatoração de grandes números com um ganho exponencial de velocidade em relação aos algoritmos clássicos. A maior parte das implementações, contudo, restringe-se a provas de princípio envolvendo poucos qubits, devido à dificuldade de escalabilidade dos sistemas utilizados. Sistemas quânticos com mais de dois níveis, chamados de qudits, se apresentam como uma possibilidade de obter espaços de maior dimensão sem recorrer a um número muito elevado de qubtis, reduzindo o número de partículas necessário para a implementação de protocolos em escalas relevantes. Além disso, pares emaranhados de qudits são mais resistentes a ruído que aqueles compostos por qubits e também se mostram mais adequados para a realização de experimentos que testem o caráter não-local e contextual da natureza, conforme previsto pela Mecânica Quântica. Nesta tese relatamos a construção e caracterização de uma fonte de estados de quatro qudits. Utilizamos um laser de bombeamento pulsado e um cristal de KTiOPO4 com inversão periódica de domínios (PPKTP) como fonte de pares de fótons, também chamados bifótons, por Conversão Paramétrica Descendente Espontânea (CPDE) tipo II, caso em que o par contém um fóton de polarização horizontal e um fóton de polarização vertical. Devido ao uso do laser pulsado e à alta eficiência de conversão do PPKTP, há grande probabilidade de um mesmo pulso de bombeamento produzir dois bifótons. Codificamos os qudits no modo de momento transversal dos fótons por meio de fendas múltiplas, gerando sistemas com 2, 3 e 4 níveis. Através de elementos ópticos lineares, colocados entre o PPKTP e as fendas, manipulamos a amplitude dos estados transversais dos bifótons incidentes sobre as fendas e, assim, as correlações quânticas entre os qudits após as fendas. Fazendo uso de duas configurações de lentes, projetamos ora o campo próximo e ora o campo distante do PPKTP sobre as fendas, obtendo após i estas estados de qudits com propriedades muito distintas. No caso do campo próximo, observamos alto grau de emaranhamento entre os qudits, enquanto o campo distante produziu estados com baixo emaranhamento, próximo a um estado produto. Caracterizamos o estado dos pares de qudits gerados utilizando mapas de correlação de quarta ordem no campo elétrico dos fótons, obtidos através de medições em coincidência de fotocontagens no campo distante das fendas, projetado sobre o plano dos detectores por uma lente na configuração f-f. Para correlações entre fótons com polarizações diferentes isolamos o sinal devido a fótons pertencentes a um mesmo bifóton via subtração da contribuição de fótons de bifótons distintos, obtida através de medições em coincidência de fótons com a mesma polarização. Estas últimas forneceram ao mesmo tempo comprovação da presença de dois pares de qudits gerados por um mesmo pulso e informação sobre o estado reduzido de um dos fótons do par de qudits, que pode ser utilizada para estimar o emaranhamento no par quando se supõe que o estado global é puro. Concluímos que a manipulação da amplitude do campo dos bifótons antes da fenda é um método muito promissor para a geração controlada de estados de qudits. Acreditamos que amplitudes não-triviais, como a dos modos Hermite-Gaussianos ou ainda mais arbitrárias, geradas por moduladores espaciais de luz, podem ser explorados para obter estados ainda mais gerais do que os obtidos com perfis descritos por funções pares. Combinado ao uso de cristais com alta eficiência de CPDE, pode-se construir uma fonte útil para diversos protocolos de Informação Quântica, como comunicação segura entre muitas partes ou geração de estados de qudits que podem ser utilizados para simular a dinâmica quântica de cavidades, além de servir para testes do caráter não-local e contextual da natureza.