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http://hdl.handle.net/1843/40697
Type: | Tese |
Title: | Simulation of quantum jump in qutrit photonic path system |
Authors: | Arthur Castro Cardoso |
First Advisor: | Sebastião José Nascimento de Pádua |
First Referee: | Pedro Ernesto Schiavinatti Tavares |
Second Referee: | Raphael Campos Drumond |
Third Referee: | Gabriela Barreto Lemos |
metadata.dc.contributor.referee4: | Sandra Sampaio Vianna |
Abstract: | In this thesis, we use an experimental platform of laser beams in Gaussian modes attenuated to the level of a few photons. The quantum state is prepared in a superposition of transverse Gaussian paths states. By making use of the techniques proposed by Baldijão et. al. [Phys. Rev. A. 96, 032329 (2017)] and characterized by Borges et. al. [Phys. Rev. A. 97, 022301 (2018)], to perform generalized quantum operations in this degree of freedom. We are able to generate three-path (qutrits) quantum states and implement the necessary operations to simulate spontaneous decay in a tree-level atom with quantum jumps. By using periodic diffraction phase gratings in a spatial light modulator, we implement the quantum operations for the simulation of the decay dynamics in three-level systems with quantum jumps in terms of the Kraus decomposition, for each one of the configurations: cascade, and V . In this experimental simulation, the average number of photons in each path state plays the role of the population in each one of the energy levels of the atom. The coherences between the energy eigenstates are related to the visibilities of the interference patterns between the pair of beams that form the base of the photonic path states. The states are characterized by image measurements of the beams with transversal Gaussian profile and by the interference patterns between the pairs of these spatial modes. Also we propose theoretically, making use of the same methodology, the experimental realization of quantum logic gates and controlled quantum logic gates in photonic path states. With the proposed experimental setup, we show that it is possible to implement in qubits paths states, all the logic gates described by the Pauli matrices (sigma x, sigma y e sigma z), beyond the phase logic gates. The same method can be explored for qutrits, or even multi-path systems of higher dimensions. In the simulation of the decay dynamics, we obtained satisfactory results for the diagonal terms and for the modulus of the off-diagonal terms, that is, despite of a small deviation, they are in agreement with the theoretical predictions. This simulation provide us a better comprehension of how the quantum jumps can affect the coherence of a three-level state. Moreover, this implementation may be used to understand how the quantum jumps, in high dimension systems, affect the quantum protocols due to decoherence. |
Abstract: | Nesta tese, exploramos uma fonte de fótons atenuada ao nível de poucos fótons, cujo o estado quântico foi preparado em uma superposição de estados de caminhos transversais. Utilizando técnicas propostas por Baldijão et. al. [Phys. Rev. A. 97, 032329 (2017)] e caracterizadas por Borges et. al. [Phys. Rev. A. 97, 022301 (2018)], para realizar operações generalizadas nestes graus de liberdade, nós conseguimos gerar estados quânticos de três caminhos (qutrits) e implementar as operações necessárias para simular o decaimento espontâneo em um átomo de três níveis com saltos quânticos. Utilizando grades de difração periódicas em um modulador espacial de luz, nós implementamos as operações quânticas para a simulação das dinâmicas de decaimento em sistemas de três níveis com salto quântico em termos da decomposição de Kraus, para cada um dos tipos de decaimento no sistema de três níveis: cascata, Λ e V . Nesta simulação experimental, a quantidade de fótons em cada estado de caminho faz o papel da população em cada um dos níveis de energia do átomo. As coerências entre os auto-estados de energia estão relacionadas com as visibilidades dos padrões de interferência entre os pares de feixes que formam a base dos estados de caminhos dos fótons. Os estados de caminho são caracterizados a partir de medidas de imagem dos feixes de fótons com perfil transversal Gaussianos e pelos padrões de interferência entre pares destes modos espaciais. Também propomos teoricamente, utilizando a mesma metodologia, a realização experimental de portas lógicas quânticas e portas lógicas quânticas controladas em estados fotônicos de caminhos. Com a montagem experimental proposta, mostramos que é possível implementar em qubits de caminhos Gaussianos todas as portas lógicas descritas pelas matrizes de Pauli (σx, σy e σz), além de portas lógicas de fase. O mesmo método pode ser explorado para qutrits, ou ainda, sistemas multi-caminho de dimensões maiores. Na simulação das dinâmicas de decaimento, obtivemos resultados satisfatórios para os termos da diagonal e para os módulo dos termos de fora da diagonal, isto é, apesar de um pequeno desvio, eles estão de acordo com a previsão teórica. Esta simulação nos fornece uma melhor compreensão de como os saltos quânticos podem afetar a coerência de um estado de três níveis. Além disso, esta implementação poder ser usada para entender como os saltos quânticos, em sistemas de grandes dimensões, afetam protocolos quânticos devido à decoerência. |
Subject: | Simulação quântica Sistemas quânticos Fótons |
language: | eng |
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 |
metadata.dc.rights.uri: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/ |
URI: | http://hdl.handle.net/1843/40697 |
Issue Date: | 19-Mar-2021 |
Appears in Collections: | Teses de Doutorado |
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