State transfer and manipulation of quantum information by nonlocal dissipative tunneling

Nesta tese abordamos o problema de transferência e manipulação de informação quântica em sistemas dissipativos. Inicialmente apresentamos uma técnica para construir, dentro de redes bosônicas dissipativas, canais livres de decoerência (CLD): um grupo de modos normais de osciladores com taxas de amortecimento efetivas nulas. Verificamos que os estados protegidos dentro do CLD definem subespaços livres de decoerência (SLD) quando mapeados de volta para a base dos osciladores naturais da rede. Portanto, a nossa técnica para obter canais protegidos formados por modos normais é uma forma alternativa para construir SLD, que oferece vantagens em relação ao método convencional. Nosso protocolo permite o cálculo de todos os estados da rede protegidos de uma só vez, assim como leva naturalmente ao conceito de subespaço quase livre de decoerência (SQLD), dentro do qual um estado de superposição é quase completamente protegido. O conceito de SQLD, é mais fraco do que a dos SLD, pode proporcionar um mecanismo mais manejável para controlar decoerência. Em seguida desenvolvemos um protocolo para transferência quase perfeita de estados de poláriton de um sistema emissor para um receptor, separados espacialmente, ambos acoplados por um canal de transmissão não ideal que é modelado por uma rede de cavidades dissipativas. Esse protocolo consiste no acoplamento dispersivo entre o estado de poláriton preparado no emissor com os modos normais da rede que forma o canal, o que possibilita que o estado tunele para o receptor. Após a obtenção de um Hamiltoniano efetivo para o acoplamento entre o emissor e receptor, calculamos a fidelidade para a transferência de alguns estados de poláriton, por exemplo, estados tipo gato de Schrödinger. Mostramos que as taxas de decaimento da fidelidade são proporcionais a cooperatividade, parâmetro esse que avalia a relação entre a taxa de dissipação e o acoplamento efetivo. Analisamos a dependência da fidelidade e do tempo de transferência em relação à topologia da rede. Por fim, propomos o mecanismo de tunelamento não local para transferência de estados bosônicos e fermiônicos com alta fidelidade. Demonstramos que a incoerência decorrente das não idealidades quânticas do canal é quase totalmente contornada pelo mecanismo de tunelamento que possibilita um processo de transferência de alta fidelidade. Aplicamos esse mecanismo para transferência e processamento de informações entre múltiplos circuitos quântico (CQs) não ideais. Um conjunto de saídas é simultaneamente acoplado ao conjunto correspondente de entradas de outro QC espacialmente separado do primeiro, através de um único canal quântico não ideal. Mostramos que além da transferência de estados, podemos realizar operações logicas entre qubits distantes e gerar uma pletora de estados quânticos emaranhados.In this thesis we address the problem of transfer and manipulation of quantum information in dissipative systems. First we present a technique to build, within a dissipative bosonic network, decoherence-free channels (DFCs): a group of normal-mode oscillators with null effective damping rates. We verify that the states protected within the DFC define the wellknown decoherence-free subspaces (DFSs) when mapped back into the natural network oscillators. Therefore, our technique to build protected normal-mode channels turns out to be an alternative way to build DFSs, which offers advantages over the conventional method. It enables the computation of all the network-protected states at once, as well as leading naturally to the concept of the decoherence quasi-free subspace (DQFS), inside which a superposition state is quasi-completely protected against decoherence. The concept of the DQFS, weaker than that of the DFS, may provide a more manageable mechanism to control decoherence. Finally, as an application of the DQFSs, we show how to build them for quasi-perfect state transfer in networks of coupled quantum dissipative oscillators. Then we present a scheme for quasi perfect transfer of polariton states from a sender to a spatially separated receiver, both composed of high-quality cavities filled by atomic samples. The sender and the receiver are connected by a nonideal transmission channel the data bus modelled by a network of lossy empty cavities. In particular, we analyze the influence of a large class of data-bus topologies on the fidelity and transfer time of the polariton state. Moreover, we also assume dispersive couplings between the polariton fields and the data-bus normal modes in order to achieve a tunneling-like state transfer. Such a tunneling-transfer mechanism, by which the excitation energy of the polariton effectively does not populate the data-bus cavities, is capable of attenuating appreciably the dissipative effects of the data-bus cavities. After deriving a Hamiltonian for the effective coupling between the sender and the receiver, we show that the decay rate of the fidelity is proportional to a cooperativity parameter that weigh the cost of the dissipation rate against the benefit of the effective coupling strength. The increase of the fidelity of the transfer process can be achieved at the expense of longer transfer times. We also show that the dependence of both the fidelity and the transfer time on the network topology for distinct regimes of parameters. It follows that the data-bus topology can be explored to control the time of the state-transfer process. Finally we propose the nonlocal tunneling mechanism for high-fidelity state transfer between distant parties. We apply this mechanism for highfidelity information transfer and processing between remote multi-branch nonideal quantum circuits (QCs). We show that in addition to the transfer of states, we can perform logic operations between distant qubits and generate a plethora of entangled quantum states