Non-Markovian dynamics in quantum optical dephasing channels

Quantum computation and quantum communication are two of the most promising future applications of quantum mechanics. Since the information carriers used in both of them are essentially open quantum systems it is necessary to understand both quantum information theory and the theory of open quantum systems in order to investigate realistic implementations of such quantum technologies. In this thesis we consider the theory of open quantum systems from a quantum information theory perspective. The thesis is divided into two parts: review of the literature and original research. In the review of literature we present some important definitions and known results of open quantum systems and quantum information theory. We present the definitions of trace distance, two channel capacities and superdense coding capacity and give a reasoning why they can be used to represent the transmission efficiency of a communication channel. We also show derivations of some properties useful to link completely positive and trace preserving maps to trace distance and channel capacities. With the help of these properties we construct three measures of non-Markovianity and explain why they detect non-Markovianity. In the original research part of the thesis we study the non-Markovian dynamics in an experimentally realized quantum optical set-up. For general one-qubit dephasing channels we calculate the explicit forms of the two channel capacities and the superdense coding capacity. For the general two-qubit dephasing channel with uncorrelated local noises we calculate the explicit forms of the quantum capacity and the mutual information of a four-letter encoding. By using the dynamics in the experimental implementation as a set of specific dephasing channels we also calculate and compare the measures in one- and two-qubit dephasing channels and study the options of manipulating the environment to achieve revivals and higher transmission rates in superdense coding protocol with dephasing noise. Kvanttilaskenta ja kvanttikommunikaatio ovat kaksi puhutuimmista tulevaisuuden kvanttimekaniikan käytännön sovelluksista. Koska molemmissa näistä informaatio koodataan systeemeihin, jotka ovat oleellisesti avoimia kvanttisysteemejä, sekä kvantti-informaatioteorian, että avointen kvanttisysteemien tuntemus on välttämätöntä. Tässä tutkielmassa käsittelemme avointen kvanttisysteemien teoriaa kvantti-informaatioteorian näkökulmasta. Tutkielma on jaettu kahteen osioon: kirjallisuuskatsaukseen ja omaan tutkimukseen. Kirjallisuuskatsauksessa esitämme joitakin avointen kvanttisysteemien ja kvantti-informaatioteorian tärkeitä määritelmiä ja tunnettuja tuloksia. Esitämme jälkietäisyyden, kahden kanavakapasiteetin ja superdense coding -kapasiteetin määritelmät ja esitämme perustelun sille, miksi niitä voidaan käyttää kuvaamaan kommunikointikanavan lähetystehokkuutta. Näytämme myös todistukset kahdelle ominaisuudelle, jotka liittävät täyspositiiviset ja jäljensäilyttävät kuvaukset jälkietäisyyteen ja kanavakapasiteetteihin. Näiden ominaisuuksien avulla konstruoimme kolme epä-Markovisuusmittaa ja perustelemme, miksi ne havaitsevat dynamiikan epä-Markovisuutta. Oman tutkimuksen osiossa tutkimme epä-Markovista dynamiikkaa kokeellisesti toteutetussa kvanttioptisessa mittausjärjestelyssä. Yleisen yhden qubitin dephasing-kanavan tapauksessa laskemme molempien kanavakapasiteettien ja superdense coding -kapasiteetin eksplisiittiset muodot. Yleisen kahden qubitin korreloimattomien ympäristöjen dephasing-kanavan tapauksessa laskemme yhteisen informaation lausekkeen nelikirjaimisessa koodauksessa ja kvanttikanavakapasiteetin. Käyttämällä kokeellisen mittajärjestelyn dynamiikkoja esimerkki dephasing-kanavina me myös laskemme konstruoitujen epä-Markovisuusmittojen arvot ja vertailemme niitä yksi- ja kaksi-qubitti-dephasing-kanavissa. Lisäksi käyttäen kokeellisia esimerkkikanavia tutkimme, kuinka ympäristöä manipuloimalla superdense coding –skeemassa voidaan saada yhteinen informaatio ajoittain kasvamaan tai saavuttaa kaikenkaikkiaan korkeampi lähetystehokkuus.Siirretty Doriast