Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/31501
Type: Tese
Title: Robustez da fase topológica fracionária ao ruído e sua demonstração experimental
Other Titles: Robustness of the fractional topological phase to noise and its experimental demonstration
Authors: Rafael Antunes Ribeiro
First Advisor: Sebastião José Nascimento de Pádua
First Referee: Ana Maria de Paula
Second Referee: Reinaldo Oliveira Vianna
Third Referee: José Geraldo Peixoto de Faria
metadata.dc.contributor.referee4: Pierre-Louis de Assis
Abstract: 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.
Abstract: 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.
Subject: Óptica quântica
Sistemas quânticos
Mecânica quântica
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICX - DEPARTAMENTO DE FÍSICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Física
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/31501
Issue Date: 14-Aug-2019
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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