Apresentação 2

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).