Simulation of quantum jump in qutrit photonic path system

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.