Experimentos con fotones entrelazados para el estudio de la interacción entre un sistema cuántico y su entorno

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En esta Tesis se presentan los resultados de implementaciones ópticas de algoritmoscuánticos, orientadas a protocolos de comunicación y procesamiento cuántico de la información. En particular, se estudiaron algoritmos cuánticos basados en entrelazamiento y se analizó la interacción del sistema cuánt...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal:	Knoll, Laura Tamara
Otros Autores:	Larotonda, Miguel A.
Formato:	Tesis doctoral publishedVersion
Lenguaje:	Español
Publicado:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 2018
Materias:	OPTICA CUANTICA INFORMACION CUANTICA ENTRELAZAMIENTO DECOHERENCIA TELEPORTACION CUANTICA DISTRIBUCION CUANTICA DE CLAVES QUANTUM INFORMATION QUANTUM OPTICS ENTANGLEMENT DECOHERENCE QUANTUM TELEPORTATION QUANTUM KEY DISTRIBUTION
Acceso en línea:	https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6295_Knoll
Aporte de:	Biblioteca Digital - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (UBA) de Universidad de Buenos Aires

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description	En esta Tesis se presentan los resultados de implementaciones ópticas de algoritmoscuánticos, orientadas a protocolos de comunicación y procesamiento cuántico de la información. En particular, se estudiaron algoritmos cuánticos basados en entrelazamiento y se analizó la interacción del sistema cuántico en cuestión con distintos entornos ruidosos. Estas investigaciones se realizaron en forma mixta, tanto experimental como teórica, contemplando etapas de interacción del sistema con entornos controlados. Se realizaron experimentos de teleportación cuántica y distribución cuántica de claves (QKD), con el propósito de ganar experiencia en la manipulación y control de sistemas cuánticos. A partir de estos experimentos, se demostraron algoritmos eficientes y robustos ante entornos ruidosos que generan decoherencia en el recurso entrelazado. Para llevar a cabo estos experimentos, se desarrolló una fuente de pares de fotones entrelazados en polarización, basada en el proceso de conversión paramétrica descendente. La utilización de fotones como recurso físico permite la codificación de qubits en diversos grados de libertad de los mismos. En los experimentos realizados en esta Tesis, a partir de un único fotón se codificaron dos qubits en los grados de libertad de polarización y momento lineal del mismo. Para representar la interacción del sistema con un entorno local, se utilizaron los dos grados de libertad de polarización y camino para representar el sistema y el entorno, respectivamente. Estas interacciones se producen en arreglos experimentalesbasados en óptica lineal. Los arreglos experimentales diseñados e implementados permitieron un estudio versátil de los distintos protocolos propuestos, y un control sistemático de los entornos. Se estudiaron las condiciones para las cuales la dinámica del sistema era robusta frente al ruido y la acción del mismo sobre el desempeño de estos protocolos. En particular se realizó un estudio de la eficiencia del protocolo de teleportación bajo distintos tipos e intensidades de interacción con un entorno, pudiendo obtener condiciones para las cuales el sistema presenta baja sensibilidad a ciertos tipos de ruido. Asimismo, para el caso de distribución cuántica de claves, la interacción del sistema con el entorno nos permitiómodelar la acción de un espía y estudiar la seguridad de protocolos de QKD. La evolución de los sistemas cuánticos inducida por la interacción con entornos locales genera decoherecia, afectando el grado de entrelazamiento inicial y su utilización como recurso cuántico. Se estudiaron entonces distintas condiciones de ruido cuántico y su efecto sobre el entrelazamiento de un sistema, obteniendo una relación entre la "muerte del entrelazamiento" y canales efectivos capaces de romper completamente el entrelazamiento, para sistemas de dos qubits. Estos resultados permitieron anticipar qué estados pueden sufrir muerte del entrelazamiento o no para una dada evolución. Conocer de antemano el estado inicial y/o el canal cuántico que afecta el recurso entrelazado permite elegir demanera óptima los parámetros necesarios para un procesamiento cuántico eficiente de la información. La base de todos los experimentos realizados es una fuente de pares de fotones entrelazados y un arreglo óptico confiable y versátil basado en óptica lineal. El control sobre los estados fotónicos generados se realiza interferométricamente y en polarización. El dominio de estas técnicas de control de estados cuánticos es un resultado en sí mismo y el arreglo experimental desarrollado se presenta como una plataforma robusta para el estudio de la dinámica de procesos cuánticos. A modo de síntesis, entendemos que en el desarrollo de esta Tesis de Doctorado secumplieron los dos objetivos propuestos: por un lado estudiar la influencia de procesos de decoherencia e interacción con entornos en la eficiencia de algoritmos de información cuántica y por otro desarrollar herramientas ópticas para el estudio e implementación eficiente de estos algoritmos.
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Estas investigaciones se realizaron en forma mixta, tanto experimental como teórica, contemplando etapas de interacción del sistema con entornos controlados. Se realizaron experimentos de teleportación cuántica y distribución cuántica de claves (QKD), con el propósito de ganar experiencia en la manipulación y control de sistemas cuánticos. A partir de estos experimentos, se demostraron algoritmos eficientes y robustos ante entornos ruidosos que generan decoherencia en el recurso entrelazado. Para llevar a cabo estos experimentos, se desarrolló una fuente de pares de fotones entrelazados en polarización, basada en el proceso de conversión paramétrica descendente. La utilización de fotones como recurso físico permite la codificación de qubits en diversos grados de libertad de los mismos. En los experimentos realizados en esta Tesis, a partir de un único fotón se codificaron dos qubits en los grados de libertad de polarización y momento lineal del mismo. Para representar la interacción del sistema con un entorno local, se utilizaron los dos grados de libertad de polarización y camino para representar el sistema y el entorno, respectivamente. Estas interacciones se producen en arreglos experimentalesbasados en óptica lineal. Los arreglos experimentales diseñados e implementados permitieron un estudio versátil de los distintos protocolos propuestos, y un control sistemático de los entornos. Se estudiaron las condiciones para las cuales la dinámica del sistema era robusta frente al ruido y la acción del mismo sobre el desempeño de estos protocolos. En particular se realizó un estudio de la eficiencia del protocolo de teleportación bajo distintos tipos e intensidades de interacción con un entorno, pudiendo obtener condiciones para las cuales el sistema presenta baja sensibilidad a ciertos tipos de ruido. Asimismo, para el caso de distribución cuántica de claves, la interacción del sistema con el entorno nos permitiómodelar la acción de un espía y estudiar la seguridad de protocolos de QKD. La evolución de los sistemas cuánticos inducida por la interacción con entornos locales genera decoherecia, afectando el grado de entrelazamiento inicial y su utilización como recurso cuántico. Se estudiaron entonces distintas condiciones de ruido cuántico y su efecto sobre el entrelazamiento de un sistema, obteniendo una relación entre la "muerte del entrelazamiento" y canales efectivos capaces de romper completamente el entrelazamiento, para sistemas de dos qubits. Estos resultados permitieron anticipar qué estados pueden sufrir muerte del entrelazamiento o no para una dada evolución. Conocer de antemano el estado inicial y/o el canal cuántico que afecta el recurso entrelazado permite elegir demanera óptima los parámetros necesarios para un procesamiento cuántico eficiente de la información. La base de todos los experimentos realizados es una fuente de pares de fotones entrelazados y un arreglo óptico confiable y versátil basado en óptica lineal. El control sobre los estados fotónicos generados se realiza interferométricamente y en polarización. El dominio de estas técnicas de control de estados cuánticos es un resultado en sí mismo y el arreglo experimental desarrollado se presenta como una plataforma robusta para el estudio de la dinámica de procesos cuánticos. A modo de síntesis, entendemos que en el desarrollo de esta Tesis de Doctorado secumplieron los dos objetivos propuestos: por un lado estudiar la influencia de procesos de decoherencia e interacción con entornos en la eficiencia de algoritmos de información cuántica y por otro desarrollar herramientas ópticas para el estudio e implementación eficiente de estos algoritmos. This Thesis presents the results of optical implementations of quantum algorithms, focused on to communication protocols and quantum information processing. In particular, we studied entanglement-based algorithms and analyzed the interaction of the main quantum system with other systems acting as noisy environments, both from the theoretical and the experimental point of view. Quantum teleportation and quantum key distribution (QKD) experiments were devised and performed in order to gain experience in the manipulation and control of quantum systems and to experimentally demonstrate efficient and robust algorithms against noisy environments. With these objectives, a source of polarization entangled photon pairs was developed, based on spontaneous parametric downconversion. The use of photons as a physical resource allows the coding of qubits in its multiple degrees of freedom. The experiments carried out in this Thesis take advantage of this characteristic of photons, and using a single photon two qubits were encoded in the degrees of freedom of polarization and linear momentum, to represent the system and the environment. Interactions occur in experimental setups based on linear optics. The experimental arrangements designed and implemented within this Thesis allowed a versatile study of the different protocols proposed, and asystematic control over the environments. We studied the conditions for which the dynamics of the system was robust againstnoise, and how this noise affected the performance of these protocols. In particular, a study of the efficiency of the quantum teleportation protocol could be carried out under different types and strengths of interaction with an environment, being able to obtain conditions for which the system presents low sensitivity to certain types of noise. Also, for the case of quantum key distribution, the interaction of the system with the environment allowed us to model the action of an eavesdropper and therefore study the security of QKD protocols. Furthermore, the interplay between the quantum systems and their environments affects the degree of initial entanglement, which might condition its use as a quantum resource. Different conditions of quantum noise and their effect on the entanglement of a system were therefore studied, obtaining a relation between the "sudden death of entanglemen" and effective entanglement breaking channels, for two qubit systems. These results allow us to anticipate which states could suffer sudden death of entanglement or not for a given evolution. Knowing in advance the initial state and/or the quantum channelthat affects the entangled resource allows to optimally choose the parameters needed for efficient quantum information processing tasks. The common basis of all the performed experiments is a parametric downconversionentangled photon source and a versatile and reliable optical arrangement, based on linear optics, that controls the polarization and the relative phase (i.e. interferometrically) of the generated photonic states. The process of mastering these techniques to control the quantum states of light represents an important result by itself, and the experimental arrangement developed herein appears as a robust testbed for the study of the dynamics of different quantum processes. As a synthesis, in the development of this doctoral thesis the two main objectiveswere fulfilled; on the one hand, to study the influence of decoherence and interaction with environments on the efficiency of quantum information algorithms, and on the other, to develop optical tools for the efficient study and implementation of these algorithms. Fil: Knoll, Laura Tamara. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 2018-03-13 info:eu-repo/semantics/doctoralThesis info:ar-repo/semantics/tesis doctoral info:eu-repo/semantics/publishedVersion application/pdf spa info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6295_Knoll

Experimentos con fotones entrelazados para el estudio de la interacción entre un sistema cuántico y su entorno

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