A física do emaranhamento : produção, detecção e aplicações - Aolita, Mario Leandro. (UFRJ, 2008)
[PT] Nesta tese abordamos as propriedades dos estados emaranhados, tanto no nível quantitativo como no qualitativo, a partir do enfoque mais físico possível - no sentido de que tentamos fazer ênfase nas consequências observáveis no laboratório do emaranhamento, e não no seu formalismo abstrato, quando isto seja possível. Os aspectos particulares do emaranhamento nos quais nos concentramos são: a quantificação experimental do emaranhamento, a dinâmica de estados emaranhados sob a ação da descoerência, a produção experimental de estados emaranhados em sistemas físicos concretos, e, por último,alguns exemplos de usos práticos do emaranhamento, também em situações experimentais realistas. Em relação à observação experimental do emaranhamento, propomos técnicas de detecção que fazem uso de duas cópias simultâneas do estado sob escrutínio e são baseadas em medidas projetivas de paridade sobre cada parte constituinte do sistema, junto a sua contraparte na cópia. Estas técnicas medem o emaranhamento do estado, no caso de estados puros, e dão uma cota inferior a ele, no caso de estados mistos; em ambos os casos a sobrecarga experimental da técnica escala muito eficientemente com o tamanho do sistema.Outro aspecto considerado nesta tese é a robustez do emaranhamento multipartite genuíno perante a interação local de cada componente do sistema com um meio ambiente individual. Mostramos, neste caso, que o tempo de desemaranhamento (também chamado tempo de "morte do emaranhamento") não caracteriza a robustez do emaranhamento contido no estado. A tal robustez é fielemnte caracterizada pelo tempo no qual o emaranhamento se faz arbitrariamente pequeno. Leis de escala qantitativas, como o tamanho do sistema em questão, são fornecidas para todos estes fenômenos.Mostramos, também, exemplos de dinâmicas nos quais o meio ambiente é um criador natural do emaranhamento preso (não distilável). O terceiro assunto é a criação de estados emaranhados. Com esse objetivo, consideramos um sistema físico concreto, íons aprisionados, e propomos uma nova porta emaranhante capaz de criar estados maximamente emaranhados, em íons-qbit insensíveis às flutuações dos campos magnéticos, e com infidelidades devidas a emissão espontânea abaixo do limiar de computação quântica tolerante-a-falhas. Por fim, propomos novas aplicações de alguns estados emaranhados,também em sistemas físicos concretos. A primeira dessas aplicações é a computação quântica em subespaços livres de descoerência com íons aprisionados. E a segunda, à comunicação quântica sem referencial com um único fóton por qbit. Para a última, propomos teoricamente vários protocolos experimentais e testamos experimentalmente um deles: o protocolo de distribuição quântica de chave BB84 sem referencial. Todos os temas tratados nesta tese são, então, ramificações do mesmo tronco: entender a mais notável característica da mecânica quântica, o emaranhamento.[EN] In this thesis we consider the properties of entangled states at both the quantitative and qualitative level, from the most physical possible approach - in the sense that we try to emphasize the implications of entanglement that are observable in the laboratory, rather than itss abstract formalism, when this is possible. the particular features of entanglement on which we concentrate are: the experimental quantification of entanglement, their dynamical properties under the action of decoherence, the experimental production of enangled states in concrete physical systems, and, finally, some examples of practical uses of entanglement, also in realistic experimental situations.As for the experimental observation of entanglement, we propose detection techniques that make use of two simultaneous copies of the state under scrutiny and are based upon projective parity measurements on each constituent part of the system, together with its counterpart in the copy. These techniques measure the entanglement of the state, in the case of pur states, and give a lower bound thereof, in the case of mixed states; in both cases the experimental overhead of hte technique scales very efficiently with the size of the system. Another aspect considered in this thesis is the robustness of genuinemultipartite entanglement upon the local interaction of each system component with an individual environment.We show, in this case, that the disentanglement time (also called "entanglement-death"time) does not characterize the robustness of the entanglement contained in the state. Such robustness is faithfully characterized by the time at which entanglement becomes arbitrarily small. Quantitative scaling laws, with the size of the system of interest, are given for all these phenomena. We also show examples of dynamics. In which the environment is a natural creator of bound (non-distillable) entanglement. The third topic is the creation of entangled states. With this goal, we consider a concrete physical system, trapped ions, and propose a enw entangling gate capable of creating maximally entangled states, with qubit-ions insensitive to the fluctuations of the magnetic field,and with infidelities due to spontaneous emission below the threshold for fault-tolerant quantum computation. To end with, we propose new applications of some entangled states, also in concrete physical systems. The first one of these applications is to quantum computation in decoherence-free subspaces with trapped ions. And the second one, to quantum comunication without a reference frame with a single photon per qubit. For the latter, we theoretically propose several experimental protocols and experimentally test one of them: the quantum key-distribution protocol BB84 without a reference frame.All the subjects treated in this thesis are thus ramificatins of the same trunk: understanding the most outstanding feature of quantum mechanics, entanglement.