Apresentação 2
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Curso de verão 2011 do DF-UFPE Redes Quânticas Daniel Felinto Departamento de Física, UFPE 27 de fevereiro de 2013 [email protected] Parte II Protocolo DLCZ Programa Parte I : Eletrodinâmica Quântica de Cavidades Parte II : Protocolo DLCZ e redes de ensembles atômicos - Sistema átomo+cavidade - Algorítmos de informação quântica - Observação e controle do acoplamento forte entre átomo e cavidade - Geração de campos de 1 fóton - Rede quântica com 2 cavidades - Comunicação quântica a grandes distâncias usando ensembles atômicos - Geração de pares de fótons e de campos de 1 fóton - Emaranhamento entre dois ensembles - Redes quânticas com 4 ensembles Polarização da Luz V V: Vertical Polarizador V Polarização dos Fótons V V Superposição V Superposição Um fóton não pode ser dividido ao meio. V Em ambos os estados ao mesmo tempo. Cada vez apenas um estado é revelado. ∝ :∝ denota um estado quântico Superposição de Dois Fótons Emaranhamento de Polarização V V Superposição de Dois Fótons Emaranhamento de Polarização 45o 45o Anti-correlação perfeita quando examinados na mesma direção. Superposição para Dois Fótons Emaranhamento de Polarização 45o V Anti-correlação perfeita quando examinados na mesma direção. Descorrelacionados quando examinados em direções diferentes. Distribuição quântica de chaves baseada em emaranhamento A. Ekert (1991) Chave: código para codificar e decodificar mensagens Comunicação absolutamente segura livre de espionagem 1 Vo 45 45 Vo 0 0 1 1 1 0 0 Distribuição Quântica de Chaves Anúncio público das direções V V 0 1 45o V 0 1 45o 45o 0 1 1 1 0 0 1 V 45o 1 0 45o V 0 0 V V 1 1 V 45o 1 0 V V 1 0 0 1 1 Verificação de Espionagem Anúncio público de resultados (pequena parte) e direções 1 45o V 0 0Seguro, V garantido pelo Princípio da Incerteza V 1 1 45o 45o 0 0 45o V 0 0 V V 1 1 V V 45o 1 0 45o 45o 0 1 45o 1 Criptografia quântica já é uma tecnologia comercial Estendendo a distância: Repetidor em Telecomunicação Repetidor fibra ótica PROBLEMA Um estado quântico não pode ser “amplificado” Atual tecnologia de criptografia quântica limitada a ~ 100 km Repetidor Quântico Conexão de Emaranhamento Emaranhado A Emaranhado B C Emaranhado D Medida de Bell Escalabilidade requer armazenamento determinístico ou sinalizado de emaranhamento quântico em locais distantes O Incrível Protocolo DLCZ DLCZ Fonte de pares de fótons H Conexão de emaranhamento Campo 2 Leitura V Escrita H Campo 1 V Emaranhamento entre 2 ensembles Criptografia quântica Programa Eletrodinâmica Quântica de Cavidades - Sistema átomo+cavidade - Algorítmos de informação quântica - Observação e controle do acoplamento forte entre átomo e cavidade - Geração de campos de 1 fóton - Rede quântica com 2 cavidades Parte II : - Comunicação quântica a grandes distâncias usando ensembles atômicos - Geração de pares de fótons e de campos de 1 fóton Parte I : Protocolo DLCZ e redes de ensembles atômicos - Emaranhamento entre dois ensembles - Redes quânticas com 4 ensembles Geração do par de fótons pulso de escrita vapor Estado coletivo armazenado fóton 1 Após um tempo determinado pelo experimentador pulso de leitura Possibilidade de esperar antes de emitir o segundo fóton Fótons emaranhados fóton 2 vapor Em um processo complexo não é necessário gerar todos os fótons simultaneamente Primeira implementação: Kuzmich et. al, Nature 423, 731 (2003) escalabilidade Requerimentos básicos • Ensemble grande de átomos • Configuração de níveis tipo-Λ Nuvem de átomos frios: presos numa armadilha magneto-óptica Cilindro de átomos participando do estado coletivo números típicos 60 µm 3 mm 105 átomos de Cs Criando uma única excitação atômica Estado emaranhado entre campo 1 e ensemble : probabilidade de excitação Escrita Campo 1 Estado atômico coletivo Escrita Campo 1 Retirando a excitação do meio Estado emaranhado entre campo 1 e ensemble Campo 2 Leitura Leitura leitura Campo 2 Estado emaranhado entre campos 1 e 2 Arranjo experimental H Campo 2 Leitura V Escrita H Campo 1 V pc : probabilidade de uma deteção em 2 dada uma deteção em 1 qc : probabilidade de ter um fóton em 2 na saída da amostra, dada uma deteção em 1 tipicamente pc ≈ 12% qc ≈ 50% Caracterização de pares de fótons Probabilidades de deteções conjuntas D1A D2A D1B D2B Funções de correlação g1,1 ≡ p1,1 / p1 p1 g2,2 ≡ p2,2 / p2 p2 Probabilidades de deteções simples p1,1 p2,2 p1,2 p1 p2 Para campos clássicos: (g1,2 )2 ≤ g1,1 g2,2 Funções de auto-correlação normalizadas J. F. Clauser, PRD 9, 853 (1974) Para nosso sistema : g1,1 e g2,2 ≤ 2 g1,2 ≡ p1,2 / p1 p2 Função de correlação cruzada normalizada g1,2 > 2 sinaliza comportamento não-clássico Caracterização de pares de fótons g12= 600±100 ∝ Potência de escrita J. Laurat, H. de Riedmatten, D. Felinto, C.-W. Chou, E.W. Shomburg & H.J. Kimble, Opt. Express 14, 6912 (2006) Primeira medida de g12 : g12 = 2.335 ± 0.014 [A. Kuzmich et. al., Nature 423 , 731 (2003)] Tempo de armazenamento da excitação Primeira fonte de descoerência : Campo Magnético Quadrupolar σ− I I σ σ+ − σ− σ + : Magnetic field σ+ t : Laser beams (M , N ) Cada átomo vê um campo diferente: alargamento inomogêneo dos estados fundamentais t grande Tempo de armazenamento da excitação 12 10 campo magnético desligado g12 Correlação 8 entre campos 1e2 6 campo magnético ligado 4 g1,2 = 2 limite clássico 2 0 0 2 4 6 storage time [µs] 8 10 D.Felinto, C. Chou, H.de Riedmatten, S.Polyakov, H.J.Kimble, Phys. Rev. A 72, 053809 (2005) Geração sinalizada de fótons individuais Fótons individuais sinalizados Click! Campo 2 Leitura Escrita Campo 1 Primeira implementação: Chou et. al, PRL 92, 213601 (2004) Geração sinalizada de fótons individuais J. Laurat et al., Opt. Express 14, 6912 (2006) Click! α : grau de supressão da componente de dois fótons do campo 2 condicionado α = 0.7 ± 0.3% Primeiro uso da memória para aumento de eficiência Sincronização de duas fontes de fótons unitários Escrita Probabilidade de detectar os 4 fótons numa sequência do experimento Leitura Aumento de 28 vezes em p1122! (N=23, 12µs) Felinto et. al, Nature Physics 2, 844 (2006) Primeira aplicação: aplicação: interferência HOM R L campo 2 λ/2 2 fontes independentes de fótons individuais campo 2 BS D. Felinto et al., “Conditional control of the quantum states of remote atomic memories for Q. networking”, Nature Physics 2, 844 (2006) Uso de armadilhas atômicas mais sofisticadas (redes ópticas) e estados insensíveis a campo magnético Tempo de vida da memória: 1.0 – 6.0 ms Conclusões preliminares da 2a parte • Discutimos a aplicação de estados emaranhados para criptografia quântica, e sua principal limitação atual. • Introduzimos a motivação para o protocolo DLCZ e discutimos em detalhe seu bloco fundamental: um estado coletivo atômico gerado de forma sinalizada. • Revisamos o estado da arte da geração de tal estado coletivo e sua utilização como fonte de fótons individuais. • Discutimos o papel da memória atômica no aumento da eficiência de protocolos de informação quântica. Perspectivas • Utilização do sistema para obtenção simultânea, de forma eficiente, de um número maior de fótons individuais, visando aplicações em computação quântica (uma de nossas metas principais em Recife).
