Universitatea din Bucuresti

Rezumatul tezei de doctorat

„Contributii în studiu

a protocolelor informatiei cuantice

în sisteme Gausiene deschise”

Doctorand: Alexei Zubarev

Conducător stiintific: Prof. Dr. Aurelian Isar

Extras

Avansarea tehnologiilor cuantice reprezintă o sarcina importanta a stiintei moderne, de care depinde

succesul al doilea revoluției cuantice. Tehnologiile quantice recent elaborate, precum calculatoare

cuantice, teleportarea cuantica, criptgrafia ciantica au ca baza teoria informatiei cuantice. În prima

partea a acestei lucrări noi am calculat evolutia temportale a fidelitatii cuantice pentru o starea

Gausiana bimodala cpmprimata plasata într-un mediu termic.

După care, noi am aplicat conceptul de fidelitatea cuantica pentru realizarea protoacoalelor de

teleprtarea cuantica și am evaluat fidelitatea de teleportarea a unei stari pure entanglate folosind o

starea Gausiana bimodala ca o resursa. Noi am analizat dependentă fidelitatii de teleportarea de

cuplajul și comprimarea intre moduri, timpul și temperatura baii termice. Mai mult noi am calculat

negativitatea logaritmica a strii resursa pentru a verifica existența entanglenmentului inte moduri și a

confirma posibilitatea unei teleportari de succes.

În a doua partea a tezei noi am descris un nou fenomen, care are loc în saruri de jonctiuni Josephson cu

disiparea înaltă, care sunt echivalenti cu supraconductori de de temperatura critica înaltă plasat în

condiții apropiate de cele critice. În stacuri studiate în afara de histeresisului Stewart-McCumber bine-

cunoscut mai apare încă un histeresis, numit de noi „histeresisul colectiv” asociat cu generarea undei de

densitatea de sarcina, care apare pentru curentii suparacritici. Acest fenomen ar putea fi folosit pentru

implementarea qubitilor supraconductori de temperatura înaltă.

În ultima partea a acestei teze, noi am remarcat, ca acoperirea captatorilor de ioni cu grafena poate

imbunatati semnificativ performanța lor, și am propus o noua metoda de sinteza a grafenei multistrat cu

ajutorul metodei de descarcarea în lichide organice. Alte materiale obtinute în acest proces au fost

folosite pentru diferite aplicataii mentionate în lucrarea. Spre exemplu, noi am propus folosirea

carbonului amorf pentru imbunatatirea randamentului unui incalzitor solar de aer.

In the last part of the thesis we remarked, that graphene coating can significantly improve ion traps

performance, and proposed arc discharge method for multilayer graphene synthesis. Other materials

Sumarul tezei.

În aceasta teza noi am descrise diferite aspecte a dezvoltatii și implementarii a tehnologiilor cuantice.

Dezvoltarea tehnologiilor cuantice este bazata pe trei directii importante de cercetarea: înțelegerea

conceptuala a mecanicii cuantice și avantajului a proprietatilor cuantie a meteriei în tehnologiile

dezvoltate, simularea și modelarea matematica a comportatmentului sistemelor cuantice bazate pe baza

teoriei informatiei cuantice, elaborarea și proectarea a noilor dispozitive pentru o implementarea ieftină

și eficiența a protocoalelor cuantice.

Teoria informatiei cuantie reperizinta subiectul principal al acestei teze. Teoria informatiei cuantice

consta în regandirea a principilor a mecanicei cuantice și reformularea lor în limbajul a teoriei clasice al

informatiei. Rolul teoriei informatiei quantice în dezvoltarea mecanicii cuantice și tehnologiilor

cuantice este dificil de suprraistima. Dinr-un punct de vederea teoria informatiei cuantice ne ajuta sa

intelagem mai profund modelele sistemelor cuantice și a imbogati cunostintele noastre despre legile

fizicei. Din cea alta partea teoria informatiei cuantice ofera un instrument fin și puternic pentru

elborarea și imbunatatirea performantei a dispozitivelor cuantice.

Unul din cele mai interesante subiecte a teoriei informatiei cuantice cât din punct de vedere teoretic atât

și aplicativ este studiul sistemelor cu variabile contuni, în particular sel mai simplu caz, moduri

gausiene bozonice. Avantajul în studiul modurilor bozonice în sisteme Gausiene este posibilitatea de

desrierea anlitica a comportamentului și evolutiei lor.

În aceasta teza noi am studiat evolutia fidelitatii Ulhmann pentru o starea initala Gausiana bimodala de

vid și o starea intiala Gausiana bimodala termica în funcție de proprietatile mediului și parametrii initali

corespunzatori ale modurilor. Noi am determinat dependentă fidelitatii cuantice de temperatura

mediului și timpul evoluție, și am studiat influența a fregventei mudurilor și parametrului de

comprimare asupra evolutia fidelitatii cuantice.

Alt caz studiat în aceasta teza se refera la aplicarea teoriei informatiei cuantice pentru implementarea a

protocolaleor de telportarea cuantica, Noi am studiat depndenta fidelitatii de teleportatrea cu ajutorul

unei stari rezursa Gausiene bimodale în fuctoe de parametrii dispozitivului. Noi am pus în evidenta

rolul temperaturii și comprimarii intre moduri în procesul de teleportarea, Deasemnea, noi am

determinat rata teleportarii cu suces în cazul strarii resurse nonrezonante și am determinat raprtul optim

intre fregventa modurilor. Mai mult, noi am demonstrat ca chiar în czul evolutiei asimptotice fidelitatea

de teleportarea are o valorea nenula. Dezvoltara tehnologiilo cuantice și conceptului de teleportarea

cuantica putem vedea în imaginele de mai jos.

Câteva rezultate originale:

În figura de sus este prezentata evoluția fidelității de teleportare în funcție de timp și temperatura

rezervorului. Aceste rezultate obținute au fost comparate cu graficul evoluției entanglementului pentru

aceleași parametri.

\

Direcția de elaborarea a noilor dispozitive pentru procesara informatiei cuantice este focusat asupra

dispozitivelor bazate pe jonctiuni Josephson. În timpul actual jonctiuni Josephson folosite în

calculatoare cuantice sunt făcuți pe baza de aluminiu ca supraconductor și oxid de aluminiu ca strat

insulator. Temperatura critica joasa aluminiului determina costuri mari de mantenanta a calculatoarelor

cuantice.

În aceasta teza noi am demonstra existența unui histerazis suplimentar pe caracteristica curent-tensiune

a stacurilor de Jonctiuni josepson cu disiparea înaltă. Manifestrea acestui histeresis este asosiata cu

unde ca;atarea densitatea de sarcina, care au un comportament similar cu cel al solutonilor. Staccuri de

jonctiuni Josepson apar în mod natura în supraconductori cu temereatura critica înaltă, în care straturi

de oxide ca cupru reprezintă supraconductori și alte straturi în rețea cristalina reprezintă insulatori.

Aparitia zonei de al doile histresis aditionale poate fi explicata prin existența unui sistem cuantic cu

doua nevele metastabile, chiar și în cazul unei disipari înaltă asociate cu temperaturi apropiate de cea

critica. În viitor acest fenomen ar putea reduce semnificativ costuri de intretinere a calculatoarelor

cuantice și a contribui la creștea numarului maxim de elemente în schema calculatorului cuantic din

cauza stabilitatii înaltă a undelor solitonice.

Un concept de dezvoltarea a noii generații de calculatore cuantice pe baza de jonctiunoc josephson este

prezentat în imaginea de mai jos.

Un subiect aditional discutat în aceasta teza este optimizare tehnologiei existent a acoperirii

capturatorilor de ioni cu grafena. La momentul actual capcane de ioni este cea mai dezvoltata

technologia pentru implementoarea calculatoarelor cuantice și experimente fundamentale cu

condensatul Bose-Einstein. Tehnologia recent descoperita de invelirea a cpcanelor de ioni cu grafena

reduce semnificatev disiparea în acesta și scade costuri de intretinera. În ultima partea a tezei noi

discutat avantajele de invelirea în grafena a capcanilor de ioni și am propus o metoda ieftină și

ecologica a sintezei grafenei multistrat cu ajutorul descarcarii electrice în lichide organice.

Pentru a reduce și mai mult costul de sinteza a grafenei, noi am propus folosirea acarbonului amorf

obținut în procesul de sintza în umbunatatierea performanței a incalzitoarelor solari de apa și aer. Un

exemplu de asemenea incalzitor solar de air cu inregerarea anuala a performantei lui și simulari

numerice necesare este inclus în teza.

Aceasta teza este structurata în felul următor: în primul capitol este oferita informația genrala legată de

tehnologiile cuantice is informația cuantica bazata pe analiza referintilor bibliografice; în a doilea

capitol a tezei sunt descrise evolutia fidelitati Uhlmann și fedelitatii de teleportarea pentru staro

Gausiene bi-modale în cadrul studiului sistemelor cuantice deschise, bazate pe cercetarea proprie; în a

treilea capitol a tezei este discutata implemantarea practica a protocolelor de informație cuantica bazate

pe qubitii supraconducori și evedentiat o noua proprietarea a stacurilor de jonctiuni Josephson, care

permite obinerea unui sistem cuantic cu dou nivele chiar în cazul disiparii inalte; în la prtulea capitol

este prezentata posibilitatea invelirii capcanilor ionice în grafena și am propus o noua metoda cu cost

redus pentru sinteza grafenei sugestia aplicației a altor materiale obtineute în procesul de sinteza.

Concluzii

a) Perspectivele technologiilor cuantice și informatiei cuantice.

Sistemele cele mai simple au un avataj extrem de important, anume ei pot fi înțelese și descrise exact,acest lucru le face atractive pentru o cercetarea profunda și riguroasa. Comportamentul lor este ușor deînțeles și el poate fi descris de limbajul minunat al ecuatiilor matematice. Desigur sistemele complicatecu proprietăți specifice sunt mult mai atractive pentru aplicații tehnologice și pun în evidenta mai multefenomene miraculoase, dar ei dintr-o partea aproape sunt foarte dificei lde studiat teoretic, dar dinaceiași partea sunt compuse din simple sisteme de aceia pot fi reduse la descrierea cu aceiași modele.

Acest fapt, ne-a determinat și ne focusa în aceasta teza asupta sistemelor simple: stari Gausienebimodele plasate într-un mediu termic. În cadrul cercetarii a fost sudiata evolutia fidelitati Ulhmann,entanglenmentului și fidelitatii de teleportarea în funcție de propretatiel modurilor și temperaturamediului.

Studiul a evolutiei acestor siteme a fost efectult în cadrul teorieo de semigrupuri cuanice completpositive dinamice, folosind ecuația Master și formalismul matricilor de covarianta.

b) Disiparea în sisteme deschise.

De ce disiparea este importanta?

Fenomene de disiparea sunt lar întâlnite în natura, și exista foarte mutine siteme cu comportament non-disipativ. Exemple de sisteme fără disiparea sunt supraconductori și heliu super-fluid. Fenomene dedisiparea duc la conversia energiei potențiale și cinetice, adică a energiei libere în energia termica și lacreșterea entropiei. În sisteme inchise disiparea poate juca doar un rol distructiv.

Rolul constructiv al disiparii.

În sisteme deschise rolul disiparii este mult mai complicat și trebuie să fie studiat mai profund. În maimulte sisteme deschise disioara poate juca roluri atât de constructiv atât și distructiv. Cel mai cunosutexemplu a rolului constructiv a disiparii sunt celule disipative Bernard. Asemenaea celule se genereazadacă un lichid viscos este încălzit pe paretea de jos și racit pe parte de sus. Mecanismul de convectieeste activat, și pentru a reduce pierderi de energie, lichidukl convectiv se autoorganizeaza în celuleordonata. Ca rezultat rata de producerea a entropiei scade. În cazul fluidului ideal (Newton) acestecelule nu se creaza.

Rolul constructiv al disparii în siteme dechise a fost intensiv studiat de I. Prigogine. Structuri disipativeau fost descoperite în sitemed iferite cu fluxuri de energii moderate: roci, atmosfra solara și terestra,plasma, fluide. În cazul fluxurilor de energie foarte inalte, structuri dispatie ordonate sunt inlocuite cu

cele caotice, dar rata de producerea a entropiei ramna în continuare minima posibila, mult mai micadecât cea în cazul sitemelor cu flux mic de energiea.

Histerezisul colectiv în saruri de jonctiuni Josephson cu dispărea înaltă.

În aceata teza, în cadrul studiului posibilitatii de ibmunatatiea qubitilor supraconductori, noi amobserva apartita a histersisului colectiv în siruri de jonctiuni Josephson cu cuplaj puternic intrejonctiuni și disiparea înaltă. Histeresisul este format de ramura undei calatorarea și ramura superioara,Ramura undei calatoare este asociata cu generarea a undei calatoare, care se probaca dealungul normalela straturi suipraconductoare și prezinta un mod cu disiparea redusa de transfer de srcina. Ramura undeicaltoare este caracterizata prin o tensiunea mai scazuta fata de ramura usperiaora a caracterisiticii IVpentru aceiași curent.

În timpul cercetarii a fost observat, a unde calatore de sarcina generate în structura au un spectrudiscret de lungimi de unda, care asugura stabilitatea lor. Trebuie menționat, ca transportul de sarcianprin unde solitonice reprezintă doar o partea a fluxului total de sarcina. Alta partrea sarcinii eștitransportata prin curent supraconductor și transoprt obistuit cu mecnisme rezistive.

Poate disiparea juca un rol constructiv în informația quantica.

Pentru temepraturi foarte joase fidelitatea de teleportare și entantglenment cresc odată cu crestereatemperaturii. Aceasta poate fi interpretat ca un rol constructiv a disiparii în siteme de procesarea ainformatiei quantice.