Reconstrução pticográfica de qudits codificados em posição angular e momento angular orbital de fótons
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
Título alternativo
Ptychographic reconstruction of qudits encoded in angular position and orbital angular momentum of photons
Primeiro orientador
Membros da banca
Carlos Henrique Monken
Pablo Lima Saldanha
Pablo Lima Saldanha
Resumo
No contexto da informação quântica, o uso de certos graus de liberdade fotônicos permite
criar estados quânticos de altas dimensões, chamados qudits, os quais apresentam vantagens
em relação a qubits em aplicações como comunicação, criptografia e testes fundamentais da
mecânica quântica. Em várias dessas aplicações é necessário reconstruir o estado quântico a
ser utilizado, já que ele contém todas as informações sobre propriedades mensuráveis de um
sistema físico. Recentemente foi proposto um método simples para reconstrução de estados
quânticos puros, chamada pticografia quântica. Ele se baseia em projeções do estado de
entrada em diversos subespaços com algum grau de interseção entre si, sendo cada uma
delas seguida de uma medição projetiva na base de Fourier, que é aquela gerada pela
transformada de Fourier quântica (QFT) da base computacional. Ao final, um algoritmo
iterativo estima o estado a partir dos dados colhidos. Neste trabalho, propomos aplicar
este método em estados puros de qudits codificados em posição angular e momento angular
orbital (OAM) fotônico. Para isso, definimos estes qudits a partir da discretização do perfil
espacial de um fóton em coordenadas cilíndricas, por meio de um arranjo de D fendas
angulares, e descrevemos sua representação na base de OAM. Para aplicar a pticografia
sobre estes qudits, mostramos que as projeções intermediárias serão implementadas por
simples filtros espaciais binários, enquanto a medição na base de Fourier dos estados
pós-projeção será realizada medindo-se em uma base definida por D modos de OAM. Por
fim, demonstramos a aplicabilidade do método pticográfico, simulando a reconstrução de
qudits angulares em D = 5 e D = 12, e avaliamos sua viabilidade experimental.
Abstract
In the context of quantum information theory, the use of certain photonic degrees of
freedom allows the creation of high-dimensional quantum states, called qudits, which
offer advantages over qubits in applications such as communication, cryptography, and
fundamental tests of quantum mechanics. In many of these applications, it is necessary to
reconstruct the quantum state to be used, since it contains all the measurable properties of
a physical system. Recently, a simple method for reconstructing pure quantum states, called
quantum ptychography, has been proposed. It is based on projections of the input state
into various partial overlapping subspaces, each one followed by a projective measurement
in the Fourier basis, which is generated by the quantum Fourier transform (QFT) of
the computational basis. At the end, an iterative algorithm estimates the state from the
collected data. In this work, we propose to apply this method to pure states of qudits
encoded in angular position and orbital angular momentum (OAM) of single photons.
For this purpose, we define these qudits based on the discretization of the spatial profile
of a photon in cylindrical coordinates, through an arrangement of D angular slits, and
describe their representation in the OAM basis. To apply ptychography to these qudits,
we show that the intermediate projections will be implemented by simple binary spatial
filters, while the measurement in the Fourier basis of the post-projection states will be
performed by measuring in a basis defined by D OAM modes. Finally, we demonstrate
the applicability of the ptychographic method by simulating the reconstruction of angular
qudits for D = 5 and D = 12, and evaluate its experimental feasibility.
Assunto
Qudits, Fótons, Mecânica quântica
Palavras-chave
Qudits, Qudit angular, Pticografia quântica, Momento angular orbital fotônico, Reconstrução de estados quânticos
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