Óptica e Informação Quântica na UFSC

Universidade Federal de Santa Catarina
Departamento de Física
Óptica e Informação Quântica na UFSC
Eduardo Inacio Duzzioni
INCT de Informação Quântica
Sumário
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Introdução à Óptica Quântica
Nobel de Física 2012
Computação Quântica
Informação Quântica
Problemas de Interesse
Conclusões e perspectivas
Introdução à Óptica Quântica
Max Planck (1900) – Radiação de corpo negro
E=hν
h=6,62.10-34 J.s – constante de Planck
Albert Einstein (1905) – Efeito fotoelétrico
hν = W+K
W = hν0 - Função trabalho
K – Energia cinética dos elétrons
Niels Bohr (1913) – Modelo atômico
1
E 2
n
Theodore Harold Maiman – Inventor do 1º laser
(16/05/1960)
Laser - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Características da radiação laser:
 “Monocromática”
 Pouca divergência do feixe
 Coerência de fase
Teoria Quântica da Luz
Roy J. Glauber – Nobel de Física 2005
COHERENT AND INCOHERENT STATES OF RADIATION FIELD
ROY J. GLAUBER, PHYSICAL REVIEW 131, 2766 (1963) Times Cited: 3.875
QUANTUM THEORY OF OPTICAL COHERENCE
ROY J. GLAUBER, PHYSICAL REVIEW 130, 2529 (1963) Times Cited: 1.995
PHOTON CORRELATIONS
ROY J. GLAUBER, PHYSICAL REVIEW LETTERS 10, 84 (1963) Times Cited: 699
Citações > 15.000
Estados quânticos da radiação
Estado coerente (LASER ideal)
Função P de Glauber
a   
 e


2
2


n 0
n
n!
n
P – Função de quase-probabilidade:
P≥0 campo clássico
Quantização da radiação
A quantização da radiação era realmente necessária?
A quantização do campo de radiação – 1927 por Dirac.
Efeito fotoelétrico – Não (Scully e Sargent 1985)
Efeito Compton – Não (Dodd 1983)
Lamb shift – Não (Crisp e Jaynes 1969)
... Apenas quantização da matéria!
Propriedades Estatísticas do
Campo de Radiação - Fotodetecção
Função de correlação de segunda ordem:
e
Nobel de Física 2012 – Serge Haroche
Colloquium: Manipulating quantum entanglement with atoms and photons in a cavity
Raimond, JM; Brune, M; Haroche, S, REVIEWS OF MODERN PHYSICS 73, 565 (2001)
1.135 citações
Observing the progressive decoherence of the ''meter'' in a quantum measurement
Brune, M; Hagley, E; Dreyer, J; et al., PHYSICAL REVIEW LETTERS 77, 4887 (1996)
1.031 citações
Generation of Einstein-Podolsky-Rosen pairs of atoms
Hagley, E; Maitre, X; Nogues, G; et al., PHYSICAL REVIEW LETTERS 79, 1 (1997).
MANIPULATION OF PHOTONS IN A CAVITY BY DISPERSIVE ATOM-FIELD COUPLING QUANTUM-NONDEMOLITION MEASUREMENTS AND GENERATION OF SCHRODINGER CAT
STATES
BRUNE, M; HAROCHE, S; RAIMOND, JM; et al., PHYSICAL REVIEW A 45, 5193 (1992).
Total de citações > 16.000
Eletrodinâmica quântica de cavidades
Zonas de
Ramsey
Detector
Forno
Atomos de
Rydberg
Cavidade
supercondutora
Algumas realizações
Oscilaçãoes de Rabi do vácuo
Colapsos e ressurgimentos:
Necessidade da quantização
do campo da cavidade
+ realizações
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Estado do tipo gato de Schrödinger
Estados emaranhados (campo-campo, campo-átomo
e átomo-átomo)
Medida da decoerência
Medida direta da Função de Wigner
Teste de fundamentos da Mecânica Quântica
Portas lógicas quânticas
Nobel de Física 2012 – David Wineland
DEMONSTRATION OF A FUNDAMENTAL QUANTUM LOGIC GATE
MONROE, C; MEEKHOF, DM; KING, BE; et al., PHYSICAL REVIEW LETTERS 75, 4714 (1995).
Citações 990
Experimental entanglement of four particles
Sackett, CA; Kielpinski, D; King, BE; et al., NATURE 404, 256 (2000).
Citações 843
A ''Schrodinger cat'' superposition state of an atom
Monroe, C; Meekhof, DM; King, BE; et al., SCIENCE 272, 1131 (1996).
Citãções 785
Generation of nonclassical motional states of a trapped atom
Meekhof, DM; Monroe, C; King, BE; et al., PHYSICAL REVIEW LETTERS 76, 1796 (1996).
Citações 739
Citações > 22.000
Realizações
 Resfriamento de íons apriosionados na armidilha
de Paul (primeiro passo!)
 Construção de estados não clássicos vibracionais
de um único íon
 Computação quântica universal
 Medidas de fases topológicas
 Emaranhamento de ions
 Medidas precisas (definição da escala de
tempo)
 Computação quântica escalável (quase)
…
Computação Quântica
Lei de Moore - 1965
Tamanho dos
transistores
atuais: 45 nm.
Raio atômico: 1
nm ~ 10 nm.
Origens
Richard Feynman- 1982
Como simular
eficientemente
sistemas quânticos?
Origens
Deutsch - 1985
Quais os limites para
a computação?
A computação é
Física!
qubit - bit quântico
0 ou/e
1
i
  cos  0  e sin  1
Estado de Superposição
Exemplos de qubits
O spin nuclear;
 O elétron e o spin eletrônico em nanoestruturas
semicondutoras;
 Dois estados atômicos;
 Fótons: estados de polarização e número;
 Fluxo do campo magnético
em uma junção Josephson.

Vantagens do processamento quântico
Algoritmo de fatoração de P. Shor (1994)
Fatoração em nºs primos
Algoritmo de Grover
(1995)
clássico 
quântico 
Informação Quântica
Mecânica
Quântica?
Classicamente A e B tem acesso a mesma quantidade de informação.
Discórdia quântica
Estados separáveis correlacionados quanticamente
Estado com discórdia quântica não-nula.
Correlação além do emaranhamento.
Linhas de pesquisa

Fases geométricas (M. V.
Berry 1984) - São fases que
dependem apenas do
caminho que o estado
percorre.
Computação quântica geométrica
Resistência a alguns tipos de erros!
Erros de Flutuações Experimentais
Proteção de estados quânticos
where
Computação quântica dissipativa
Computação quântica contínua no tempo
Correlações Clássicas e Quânticas
Conclusões e perspectivas
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A quantização da radiação aprofundou o nosso
conhecimento sobre a natureza.
O controle experimental de sistemas quânticos
individuais nos permitiu confirmar todas estas
hipóteses.
Computador quântico.
A natureza é a informação que temos acesso?
Obrigado pela
atenção!
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