Transfer, generation and monitoring of quantum entanglement in systems composed by atoms coupled to microtoroidal cavities

Orientador: José Antonio RoversiTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb WataghinResumo: Nesta tese estudamos três sistemas constituídos por átomos de dois níveis acoplados a cavidades microtoroidais. Em particular, a cavidade suporta um par de modos contrapropagantes de galeria sussurrante (do inglês Whispering Gallery Modes - WGM¿s). Cada átomo está interagindo individualmente e simultaneamente com os dois WGM¿s via campos evanescentes. Na primeira parte, investigamos a transferência de estado quântico entre dois átomos de dois níveis localizados em cavidades microtoroidais distintas. Assumimos que o acoplamento entre os microtoroides ocorre via campos evanescentes. Neste caso, mostramos que é possível transferir com alta fidelidade um estado de superposição de um átomo que está acoplado a uma cavidade microtoroidal a um segundo átomo que está acoplado a uma outra cavidade microtoroidal, considerando perdas por emissão espontânea dos átomos e dissipação das cavidades. Além disso, observamos que o grau de emaranhamento atômico pode ser preservado ajustando certos parâmetros do sistema. Na segunda parte, investigamos como o estado inicial do sistema influência na geração de emaranhamento entre dois e três átomos interagentes via interação dipolo-dipolo (DDI) acoplados simétrica e assimetricamemte a uma cavidade microtoroidal. Primeiramente, mostramos que dependendo da preparação do estado inicial, fenômenos como a morte e renascimento súbito do emaranhamento, bem como a estabilização do emaranhamento entre os dois átomos, pode ser obtido ajustando-se tanto a DDI quanto a interação entre os modos intracavidade. Notamos também que, no regime assimétrico, o máximo emaranhamento entre os átomos depende da localização atômica e, ainda, pode ser melhorado através da interação entre os modos. No caso de três átomos acoplados à cavidade, mostramos que as perdas da cavidade não contribui significamente para a degradação do emaranhamento tripartido. A última parte da tese é dedicada a preparação e monitoração de estados estacionários maximamente emaranhados em um sistema composto por um par de átomos acoplados aos dois WGM¿s de uma cavidade microrotoidal. Mostramos que é possível preparar, seletivamente, tanto um estado maximamente emaranhado entre dois átomos bem como um estado maximamente emaranhado entre dois modos. Tal preparação consiste na leitura da transmissão e reflexão de um campo de prova aplicado sobre o sistema átomo-toroide, de modo que é possível determinar se os dois átomos (bombeio sobre a cavidade) ou dois modos (bombeio sobre um único átomo) estão em um estado maximamente emaranhado via cliques no detector. Além disso, investigamos para cada subsistema, isto é, os dois átomos e os dois modos, a dinâmica de emaranhamento e sob quais condições pode-se transferir um estado emaranhado de dois qubits de um subsistema para o outroAbstract: In this thesis, we studied three systems consisting of two-level atoms coupled to microtoroidal cavities. In particular, the cavity supports a pair of whispering gallery counterpropagating modes (WGM¿s). Each atom is interacting individually and simultaneously with the two WGM¿s via evanescent fields. In the first part, we investigated the transfer of quantum state between two two-level atoms located in distinct microtoroidal cavities. We assume that the coupling between the microtoroids occurs via evanescent fields. In this case, we have shown that it is possible to transfer with high fidelity a superposition state of an atom which is coupled to a microtoroidal cavity to the second atom which is coupled to another microtoroidal cavity, taking into account losses by spontaneous emission and decay cavities. In addition, we observe that the degree of entanglement between the atoms, considering the separated atomic initial states and entangled, can be preserved by adjusting certain parameters of the system. In the second part, we investigated the influence of the initial state on the entanglement generation in a system composed of two and three atoms interacting via dipole-dipole interaction (DDI) coupled symmetrically and asymmetrically to a microtoroidal cavity. First, we show that depending on the preparation of the initial state of the system, phenomena such as sudden death and birth, as well as the stabilization of the entanglement between the atoms, can be obtaine by adjusting both the DDI and the interaction between the intracavity modes. We also note that, in the asymmetric regime, the maximum entanglement between the two atoms depends on the atomic location and also can be improved through the interaction between the modes. In the case of three atoms coupled to the cavity, we show that the tripartite entanglement dynamics, considering the separate atomic initial states and the type W, is more favorable when the cavity loss is greater than the spontaneous emission of the atoms. The last part of the thesis is devoted to the preparation and monitoring of stationary states maximally entangled in a system composed of a pair of atoms coupled to the two WGM¿s of a microtoroidal cavity. We have shown that it is possible to selectively prepare both a maximally entangled state between two atoms and a maximally entangled state between two modes. This preparation consists of reading the transmission and reflection of a test field applied to the atom-toroid system so that it is possible to determine whether the two atoms (driven the cavity mode) or two-modes (driven the single atom) are in a maximally entangled state via clicks on the detector. In addition, we investigate for each subsystem, two atoms and the two-modes, the generation of entanglement and under what conditions we can transfer two qubits entangled state from one subsystem to the otherDoutoradoFísicaDoutor em Ciências140039/2016-3CNP