Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
FÍSICA (33144010001P7)
Interações coerentes e limites termodinâmicos em metrologia quântica
KAONAN CAMPOS MICADEI BUENO
DISSERTAÇÃO
18/07/2013

O foco de estudo da metrologia quântica é a precisão com a qual podemos obter informação a respeito de um determinado parâmetro de um sistema quântico. Há uma estreita conexão entre metrologia quântica e a assim chamada Ciência da Informação Quântica. Tipicamente utiliza-se fases relativas em estados de superposição para codificar informação em sistemas físicos. Para decodificar este tipo de informação, tais fases devem ser estimadas de forma precisa. Essa leitura de dados não é realizada diretamente, mas sim implementada através da analise de distribuições de probabilidade em um esquema de medida adequado. Por isso é fundamental que as medidas sejam feitas de forma a otimizar os resultados. Essa conexão entre teoria de informação e metrologia quântica sugerem que ao se avançar o conhecimento sobre a origem da vantagem quântica em protocolos de estimação de parâmetros obteremos insights valiosos em informação quântica. Metrologia quântica oferece ferramentas teóricas capazes de indicar as melhores estratégia para um dado processo de estimação, por meio de uma grandeza conhecida como informação de Fisher. Tal grandeza permite mensurar a capacidade que um sistema de prova tem de codificar informação sobre um determinado parâmetro. Assim, é possível determinar a combinação ótima de estado de prova quântico e o protocolo que fornece a melhor precisão. Considerando estados de prova com certo ruído branco, mostramos (teoricamente e experimentalmente) que as interações capazes de manipular as correlações não clássicas, tais como interações coerentes, podem levar a uma vantagem quântica considerável nesse contexto ruidoso. Introduzimos uma grandeza que quantifica a vantagem obtida através de interações coerentes, denominada gap da informação de Fisher. Tal grandeza quantifica a não equivalência entre as versões clássica e quântica de teoria de estimação. Verificamos experimentalmente tal resultado e em particular mostramos que é possível bater o limite padrão (shot noise) em um cenário com alto nível de ruído, empregando um simulador quântico molecular em ressonância magnética nuclear (RMN). Finalmente, introduzimos um princípio físico fundamental conectando a precisão na estimativa de um parâmetro e seu custo termodinâmico em termos do trabalho dissipado durante a realização do protocolo metrológico. Tal custo termodinâmico se deve a irreversibilidade lógica de processos físicos reais e imperfeitos. Mostramos que a precisão na estimativa de um parâmetro não é somente limitada pela resolução dos aparelhos utilizados mas fundamentalmente, pela segunda lei da termodinâmica.

metrologia quântica; informação quântica; informação de Fisher; termodinâmica
Quantum metrology is a research area that focuses on the attainable precision about a specific parameter in a quantum system. There is a close connection between quantum metrology and the so-called Quantum Information Science. Typically, we use relative phases of superposition states to encode information in physical systems. Decoding such information involves somehow precise phase estimation. In general, the information readout is performed in an indirect war by an probability-distribution analysis of suitable measurement process. Due to it is fundamental that measures be made in order to optimise the results. Reveal valuable insights about quantum information. Quantum metrology offers theoretical tools for the choice of the best strategy for a specific estimation process, employing a quantity called Fisher information. Such a quantity allows us to measure the capability of a probe system to encode information about a specific parameter. In such a way, it is possible to determine the optimum combination of probe and protocol, which provides the best precision. Considering probe states with some amount of noise, we showed (theoretical and experimentally) that coherent interactions can lead to considerable advantage in the readout phase of a parameter estimation protocol. We introduced a quantity that reveals such a quantum advantage called “Fisher information gap”. This quantity quantifies the nonequivalence between the classical and the quantum version of estimation theory. We experimentally verified this nonequivalence in a high noise setting, employing a molecular quantum simulator driven by nuclear magnetic resonance (NMR) technics. Finally, we introduced a fundamental physical principal connecting the precision of a parameter estimation protocol and its thermodynamics cost in terms of dissipated work during the protocol. This thermodynamic cost is due to logical irreversibility of a real and imperfect physical process. We showed that the precision in parameter estimation is not only limited by resolution of the apparatus, but it is also fundamentally limited by the “second law of thermodynamics. On can say that these results enlighten some aspects about the source of quantum advantage in parameter estimation process.
quantum metrology; quantum information; Fisher information; thermodynamics
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PORTUGUES
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
O trabalho possui divulgação autorizada

Contexto

FÍSICA
INFORMAÇÃO QUÂNTICA
CIÊNCIA DA INFORMAÇÃO QUÂNTICA

Banca Examinadora

ROBERTO MENEZES SERRA
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
MARCELO SILVA SARANDY Participante Externo
DIOGO DE OLIVEIRA SOARES PINTO Participante Externo

Financiadores

Financiador - Programa Fomento Número de Meses
FUND COORD DE APERFEICOAMENTO DE PESSOAL DE NIVEL SUP - Programa de Demanda Social 22
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC - Pró reitoria de Pós Graduação 2

Vínculo

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Não