Apresentação 1
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Curso de verão 2013 do DF-UFPE Redes Quânticas Daniel Felinto Departamento de Física, UFPE 25 de fevereiro de 2013 [email protected] Redes Quânticas Nó quântico gera, processa, guarda informação quântica Canais quânticos transporta / distribui emaranhamento quântico Objetivo geral: Realizar diversos algorítmos de informação quântica utilizando recursos físicos distribuídos “The quantum internet”, H.J. Kimble, Nature 453, 1023 (2008) Motivação Informação Quântica novas tecnologias nova fronteira da física • computação quântica • sistemas quânticamente correlacionados em maior escala (N>>2) ⇒ nova forma de computar ⇒ potencial de grande impacto • comunicação quântica ⇒ ultra-segurança • fundamentos da mecânica quântica • novo patamar de controle de sistemas físicos Redes quânticas ∗ sistemas bem controlados ∗ técnicas experimentais bem estabelecidas ∗ bom acordo teoria × experimento Física Atômica Óptica Quântica ∗ Novos problemas ∗ Nova abordagem Informação Quântica Ideal para desenvolvimento de protótipos e testes de conceitos fundamentais Programa Parte I : Eletrodinâmica Quântica de Cavidades Parte II : Protocolo DLCZ e redes de ensembles atômicos Parte III : Perspectivas no Brasil - 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 - Eletrodinâmica quântica de cavidades com microesferas ressonantes - INCT de Informação Quântica - Emaranhamento de variáveis contínuas com Osciladores Paramétricos Ópticos - Redes quânticas com ensembles atômicos Parte I Eletrodinâmica Quântica de Cavidades Nobel 2012 Foco do minicurso micro-ondas óptica Walther, Haroche, Kimble, Rempe, ... Programa Parte I : 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 Cavidade L Espectro de Transmissão de uma Cavidade Óptica (Comprimento L=43 µm) (modos: L=nλ/2) Frequência FSR= n=95 102 104 3 THz 852.4 nm Linha do Cs Cavidade + átomo ωA ≡ frequência de ressonância atômica ωC ≡ frequência de ressonância da cavidade Energia total = Energia átomo livre |e⟩ Energia interação + campo livre 7 |n⟩ 5 … átomo livre + Energia campo livre 2 2 3 |g⟩ 2 2 |3⟩ |2⟩ |1⟩ |0⟩ Energia total = Energia átomo livre Interação átomo-campo campo elétrico do vácuo: ≡ frequência de Rabi de 1 fóton Caso ressonante + Energia campo livre + Energia interação Acoplamento Forte modelo realista regime de acoplamento forte sistema quântico aberto taxas de dissipação (descoerência) interação forte 1 átomo ⇔ 1 fóton κ ≡ taxa de decaimento do campo da cavidade γ ≡ taxa de decaimento radiativo do estado atômico excitado (para modos ≠ da cavidade) T ≡ tempo de vôo do átomo através da cavidade dinâmica quântica “extrema” Cavidades no laboratório (grupo do Caltech) Mirror substrates espelhos MOT = -1/2 ∝ VM L ≅ 43 µm ≡ comprimento da cavidades 3 mm ω0 ≅ 15 µm ≡ cintura do modo taxas de decaimento (átomo de césio) Cavidade de alta finesse (refletividade dos espelhos R=0.9999984) primeiros experimentos atuais experimentos McKeever et al., Phys. Rev. Lett. 90, 133602 (2003) T = 0.4 µs T-1 = 2.5 MHz T>1s T-1 < 1 Hz Acoplamento Forte: assinatura experimental foto-detector transmissão do laser de prova cavidade vazia (g = 0) átomo presente (g ≠ 0) baixíssimas potências vacuum-Rabi splitting (separação de Rabi-vácuo) ω - ω0 G. S. Agarwal, Phys. Rev. Lett. 53, 1732 (1984) Programa Parte I : 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 Exemplo de aplicação – Emissão de 1 fóton a partir de uma cavidade “vazia” Estado de 1 fóton 1 ψ (t ) 1 Refletividade do espelho R(t) 0 tempo t Destaques deste processo de “geração de fótons” – • Fótons estacionários são mapeados 1 a 1 em fótons viajantes • O processo é um mapeamento determinístico de “dentro” para “fora” • A forma temporal do pacote de onda fotônico é controlada via R(t) Estado de 1 fóton Transferência de Estado Quântico da Cavidade A para a Cavidade B 1 A Refletividade do espelho RA(t) tempo Estado de 1 fóton 1 B Refletividade do espelho RB(t) td tempo Transferência de estado quântico entre Átomo, Campo da Cavidade, e Campo propagante Ω(t) g hν Ω(t) Ω( Dark state D = cos θ a 0 − sin θ b 1 , 1 where cos θ = Ω 2 (t ) 1+ 2 g A. S. Parkins, P. Marte, P. Zoller, & H. J. Kimble, Phys. Rev. Lett. 71, 3095 (1993) J. I. Cirac, P. Zoller, H. J. Kimble, & H. Mabuchi, Phys. Rev. Lett. 78, 3221 (1997) A. Kuhn, M. Hennrich, T. Bondo, & G. Rempe, Appl. Phys. B 69, 373 (1999) Redes Quânticas baseadas em cQED J. I. Cirac, P. Zoller, H. J. Kimble, & H. Mabuchi, Phys. Rev. Lett. 78, 3221 (1997) • Estados atômicos internos armazenam informação quântica localmente. • Acoplamento forte em cQED é explorado para transferência de estado entre matéria e luz. 1o trabalho que discute redes quânticas ! Este esquema de geração de fótons únicos é inerentemente coerente e reversível possibilitando protocolos para realização de redes quânticas Troca de Estado Quântico* Combinando qubits estacionários e viajantes para realizar redes quânticas para comunicação e computação quânticas distribuídas Ω(t) g hν *J. I. Cirac, S. J. Van Enk, P. Zoller, H. J. Kimble, and H. Mabuchi, Physica Scripta T76, 223 (1998) Sítio A Ψ Ω(t) Ω( Ω(−t) g hν Sítio B Ω(− Ω(−t) Redes Quânticas Escalonáveis possibilitam Arquiteturas tipo Repetidor Quântico* H.-J. Briegel, W. Dür, J. I. Cirac, & P. Zoller, Phys. Rev. Lett. 81, 5932 (1998). Repetidor quântico C1 Estação A Repetidor quântico C2 X Emaranhados Emaranhados Emaranhados Requisitos • Interface Luz-matéria • Memória quântica • Portas lógicas elementares Estação B * H.-J. Briegel, S. J. van Enk, J. I. Cirac, P. Zoller, emThe Physics of Quantum Information, D. Bouwmeester et al., eds. (Springer, Berlin, 2000). Programa Parte I : 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 Aparato experimental Espectro de transmissão da cavidade no limite de campo fraco Limitações: tempo de vôo curto (T~0.4µs) flutuações no número de átomos (média ~ 1) J. J. Childs, K. An, M. S. Otteson, R. R. Dasari, & M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 77, 2901 (1996) Armadilha MagnetoMagneto-Ótica (MOT) 2×109 87Rb , Temperatura < 100 µK melhor tempo de vôo T ~ 100 µs ainda média no número de átomos tempo de vôo T > 100 µs Nuvem de ~105 átomos de césio T=10-5 K Upstairs chamber: collection MOT, 10-8 torr MOT 1 feixes de esfriamento 25 cm MOT 2 5 mm Far Off Resonance Trap (FORT) UHV downstairs chamber: 10-10 torr ~ 102 seconds for collision lifetime tempo de vida: T ~ 28 ms tempo de vida: T ~ 3 s tempo de vida: T ~ 17 s Programa Parte I : 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 Geração determinística de fótons únicos J. McKeever, A. Boca, D. Boozer, R. Miller, J. Buck, A. Kuzmich, HJK, Science 303, 1992 (2004) Modo Espacial Gaussiano Acoplamento forte Eficiência 10 µs Ω3 1 µs Ω4 5 µs Ω3 Ω4 Ω3 100% tempo de vida: T ~ 3 s Ω4 ADIABATIC TRANSFER via DARK EIGENSTATES A. S. Parkins, P. Marte, and P. Zoller, and H. J. Kimble, Phys. Rev. Lett. 71, 3095 (1993) Funções de correlação: Como sabemos que são fótons únicos? Pulsos fracos de laser (Estado Coerente Clássico) - 40 - 20 0 20 40 Fonte de 1 fóton - 40 - 20 0 20 40 Supressão de eventos de dois fótons: Resultados Experimentais R=20.8 ±1.8 relativo ao estado coerente Mas, pior que o esperado devido à pequena probabilidade de ter 2 átomos na cavidade tempo de vôo: T ~ 18 µs Nature Phys. 3, 253 (2007) trem de 300.000 fótons únicos ao longo de 30 s entrada Interferência entre 2 fótons indistinguíveis Transformação do estado pelo divisor de feixes saída Novas perspectivas com sistema baseado em íons Sistema atômico mais bem controlado: mais avançados relógios atômicos e computadores quânticos Programa Parte I : 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 Conclusões da 1a parte • Introduzimos a física por trás do sistema modelo para as redes quânticas. • Introduzimos as idéias de aplicação que motivaram a área. • Revisamos o estado da arte experimental em Eletrodinâmica Quântica de Cavidades: ótima fonte de fótons individuais, primeiro experimento com 2 cavidades. Perspectivas • Grupos experimentais têm encontrado dificuldades de escalonar o sistema, mas técnica tem avançado consistentemente ao longo dos anos. • Desenvolvimento de novas cavidades ópticas (micro-esferas e micro-toróides) e entrada dos grupos que trabalham com armadilhas de íons podem acelerar o desenvolvimento da área.
