Non-Markovianity and Quantum Correlations in Qubit-Systems

In this Thesis I discuss the exact dynamics of simple non-Markovian systems. I focus on fundamental questions at the core of non-Markovian theory and investigate the dynamics of quantum correlations under non-Markovian decoherence. In the first context I present the connection between two different non-Markovian approaches, and compare two distinct definitions of non-Markovianity. The general aim is to characterize in exemplary cases which part of the environment is responsible for the feedback of information typical of non- Markovian dynamics. I also show how such a feedback of information is not always described by certain types of master equations commonly used to tackle non-Markovian dynamics. In the second context I characterize the dynamics of two qubits in a common non-Markovian reservoir, and introduce a new dynamical effect in a wellknown model, i.e., two qubits under depolarizing channels. In the first model the exact solution of the dynamics is found, and the entanglement behavior is extensively studied. The non-Markovianity of the reservoir and reservoirmediated-interaction between the qubits cause non-trivial dynamical features. The dynamical interplay between different types of correlations is also investigated. In the second model the study of quantum and classical correlations demonstrates the existence of a new effect: the sudden transition between classical and quantum decoherence. This phenomenon involves the complete preservation of the initial quantum correlations for long intervals of time of the order of the relaxation time of the system.

Studies on the Multifaceted Interaction of Atoms and an Electromagnetic Field

In this Thesis the interaction of an electromagnetic field and matter is studied from various aspects in the general framework of cold atoms. Our subjects cover a wide spectrum of phenomena ranging from semiclassical few-level models to fully quantum mechanical interaction with structured reservoirs leading to non-Markovian open quantum system dynamics. Within closed quantum systems, we propose a selective method to manipulate the motional state of atoms in a time-dependent double-well potential and interpret the method in terms of adiabatic processes. Also, we derive a simple wave-packet model, based on distributions of generalized eigenstates, explaining the finite visibility of interference in overlapping continuous-wave atom lasers. In the context of open quantum systems, we develop an unraveling of non-Markovian dynamics in terms of piecewise deterministic quantum jump processes confined in the Hilbert space of the reduced system - the non-Markovian quantum jump method. As examples, we apply it for simple 2- and 3-level systems interacting with a structured reservoir. Also, in the context of ion-cavity QED we study the entanglement generation based on collective Dicke modes in experimentally realistic conditions including photonic losses and an atomic spontaneous decay.

Non-Markovian Dynamics in Continuous Variable Quantum Systems

The present manuscript represents the completion of a research path carried forward during my doctoral studies in the University of Turku. It contains information regarding my scientific contribution to the field of open quantum systems, accomplished in collaboration with other scientists. The main subject investigated in the thesis is the non-Markovian dynamics of open quantum systems with focus on continuous variable quantum channels, e.g. quantum Brownian motion models. Non-Markovianity is here interpreted as a manifestation of the existence of a flow of information exchanged by the system and environment during the dynamical evolution. While in Markovian systems the flow is unidirectional, i.e. from the system to the environment, in non-Markovian systems there are time windows in which the flow is reversed and the quantum state of the system may regain coherence and correlations previously lost. Signatures of a non-Markovian behavior have been studied in connection with the dynamics of quantum correlations like entanglement or quantum discord. Moreover, in the attempt to recognisee non-Markovianity as a resource for quantum technologies, it is proposed, for the first time, to consider its effects in practical quantum key distribution protocols. It has been proven that security of coherent state protocols can be enhanced using non-Markovian properties of the transmission channels. The thesis is divided in two parts: in the first part I introduce the reader to the world of continuous variable open quantum systems and non-Markovian dynamics. The second part instead consists of a collection of five publications inherent to the topic.

Transforming Bodies, Wandering Desires. Intra-actions of Gender and Sexuality in Non-heterosexual Transgender Embodiment

Pro gradu -tutkielmani käsittelee sukupuolen ja seksuaalisuuden keskinäisiä intraaktiivisia vuorovaikutussuhteita elettyjen, ei-heteroseksuaalisten transsukupuolisten ruumiiden kokemuksissa. Tutkielmani haastaa sukupuolen ja seksuaalisuuden pysyvyyden käsityksiä sekä niihin liittyviä yhteiskunnallisia normeja kuvaten tapoja, joilla seksuaalisuuden ja sukupuolen kokeminen ja käytännöt liikkuvat, kehittyvät ja vuorovaikuttavat eletyissä transsukupuolisuuden ruumiillistumissa. Haastattelen kuutta suomalaista, syntymässä naiseksi määriteltyä transsukupuolista henkilöä liittyen heidän kokemuksiinsa sukupuolesta, seksuaalisuudesta ja näiden muutoksista heidän tähänastisen elämänsä aikana. Tarkastelen nauhoitettuja ja litteroituja haastattelutekstejä transtutkimusta, queer-teoriaa ja feminististä uusmaterialistista filosofiaa yhdistävän teoreettisen kehyksen kautta keskittyen siihen, miten sukupuoli ja seksuaalisuus vaikuttavat toistensa kehitykseen, muutokseen ja materialisoitumiseen eri elämänvaiheissa ja tilanteissa. Erityisen tärkeiksi teoreettisiksi vaikuttajiksi tutkielmassani muodostuvat Judith Butlerin Gender Trouble (2006 [1990]) -teoksessaan hahmottelema performatiivisen sukupuolen teoria, Sara Ahmedin analyysi teoksessa Queer Phenomenology. Orientations, Objects, Others (2006) ja Karen Baradin teoksessa Meeting the Universe Halfway. Quantum Physics and the Entanglement of Matter and Meaning (2007) teoretisoima toimijuudellinen realismi. Päästäkseni kiinni sukupuolen ja seksuaalisuuden yhtymäkohtiin erittelen ensin niitä ominaisuuksia ja kokemuksia, jotka näyttäytyvät haastatteluteksteissäni oleellisina seksuaalisuuden ja sukupuolen kannalta. Tarkastelen seksuaalisuutta suuntautumisen, halun ja seksuaalisten käytäntöjen näkökulmasta: vaikka nämä seksuaalisuuden aspektit ovat kiinteästi kytköksissä toisiinsa, niitä ei voi kokonaan palauttaa toisiinsa. Sukupuolta käsittelen performatiivisuuden näkökulmasta painottaen transsukupuolisiin ruumiisiin ja niiden materiaalisuuteen liittyviä erityispiirteitä. Sukupuolen ja seksuaalisuuden suhteita toisiinsa tarkastelen sekä sellaisissa tilanteissa, joissa niitä on vaikea erottaa toisistaan, että sellaisissa, joissa niiden voidaan nähdä tuottavan toinentoisiaan. Tutkielmallani on etnografisia, filosofisia ja poliittisia ulottuvuuksia. Yhtäältä tahdon kuvata ja analysoida elettyjä transsukupuolisia kokemuksia ja tuottaa tietoa vähän tutkitun ihmisryhmän todellisuudesta. Toisaalta osallistun sukupuolifilosofiseen keskusteluun ruumiillisuudesta ja sukupuolen ja seksuaalisuuden olemuksesta. Lähestyn tutkimusprosessiani niin sanotusta transgender standpoint -näkökulmasta; kirjoitan transsukupuolisena ruumiina, transsukupuolisia ruumiita koskien, pyrkimyksenäni edistää elävien transsukupuolisten ruumiiden asemaa, toimijuutta ja näkyvyyttä yhteiskunnassa.

Évolution des systèmes quantiques ouverts : décohérence et informatique quantique

Ce travail de maîtrise a mené à la rédaction d'un article (Physical Review A 80, 062319 (2009)).

Multi-Prover and parallel repetition in non-classical interactive games

Depuis l’introduction de la mécanique quantique, plusieurs mystères de la nature ont trouvé leurs explications. De plus en plus, les concepts de la mécanique quantique se sont entremêlés avec d’autres de la théorie de la complexité du calcul. De nouvelles idées et solutions ont été découvertes et élaborées dans le but de résoudre ces problèmes informatiques. En particulier, la mécanique quantique a secoué plusieurs preuves de sécurité de protocoles classiques. Dans ce m´emoire, nous faisons un étalage de résultats récents de l’implication de la mécanique quantique sur la complexité du calcul, et cela plus précisément dans le cas de classes avec interaction. Nous présentons ces travaux de recherches avec la nomenclature des jeux à information imparfaite avec coopération. Nous exposons les différences entre les théories classiques, quantiques et non-signalantes et les démontrons par l’exemple du jeu à cycle impair. Nous centralisons notre attention autour de deux grands thèmes : l’effet sur un jeu de l’ajout de joueurs et de la répétition parallèle. Nous observons que l’effet de ces modifications a des conséquences très différentes en fonction de la théorie physique considérée.

The decoupling approach to quantum information theory

La théorie de l'information quantique étudie les limites fondamentales qu'imposent les lois de la physique sur les tâches de traitement de données comme la compression et la transmission de données sur un canal bruité. Cette thèse présente des techniques générales permettant de résoudre plusieurs problèmes fondamentaux de la théorie de l'information quantique dans un seul et même cadre. Le théorème central de cette thèse énonce l'existence d'un protocole permettant de transmettre des données quantiques que le receveur connaît déjà partiellement à l'aide d'une seule utilisation d'un canal quantique bruité. Ce théorème a de plus comme corollaires immédiats plusieurs théorèmes centraux de la théorie de l'information quantique. Les chapitres suivants utilisent ce théorème pour prouver l'existence de nouveaux protocoles pour deux autres types de canaux quantiques, soit les canaux de diffusion quantiques et les canaux quantiques avec information supplémentaire fournie au transmetteur. Ces protocoles traitent aussi de la transmission de données quantiques partiellement connues du receveur à l'aide d'une seule utilisation du canal, et ont comme corollaires des versions asymptotiques avec et sans intrication auxiliaire. Les versions asymptotiques avec intrication auxiliaire peuvent, dans les deux cas, être considérées comme des versions quantiques des meilleurs théorèmes de codage connus pour les versions classiques de ces problèmes. Le dernier chapitre traite d'un phénomène purement quantique appelé verrouillage: il est possible d'encoder un message classique dans un état quantique de sorte qu'en lui enlevant un sous-système de taille logarithmique par rapport à sa taille totale, on puisse s'assurer qu'aucune mesure ne puisse avoir de corrélation significative avec le message. Le message se trouve donc «verrouillé» par une clé de taille logarithmique. Cette thèse présente le premier protocole de verrouillage dont le critère de succès est que la distance trace entre la distribution jointe du message et du résultat de la mesure et le produit de leur marginales soit suffisamment petite.

Structure de la distribution de probabilités de l'état GHZ sous l'action locale de transformations du groupe U(2)

Dans ce mémoire, je démontre que la distribution de probabilités de l'état quantique Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) sous l'action locale de mesures de von Neumann indépendantes sur chaque qubit suit une distribution qui est une combinaison convexe de deux distributions. Les coefficients de la combinaison sont reliés aux parties équatoriales des mesures et les distributions associées à ces coefficients sont reliées aux parties réelles des mesures. Une application possible du résultat est qu'il permet de scinder en deux la simulation de l'état GHZ. Simuler, en pire cas ou en moyenne, un état quantique comme GHZ avec des ressources aléatoires, partagées ou privées, et des ressources classiques de communication, ou même des ressources fantaisistes comme les boîtes non locales, est un problème important en complexité de la communication quantique. On peut penser à ce problème de simulation comme un problème où plusieurs personnes obtiennent chacune une mesure de von Neumann à appliquer sur le sous-système de l'état GHZ qu'il partage avec les autres personnes. Chaque personne ne connaît que les données décrivant sa mesure et d'aucune façon une personne ne connaît les données décrivant la mesure d'une autre personne. Chaque personne obtient un résultat aléatoire classique. La distribution conjointe de ces résultats aléatoires classiques suit la distribution de probabilités trouvée dans ce mémoire. Le but est de simuler classiquement la distribution de probabilités de l'état GHZ. Mon résultat indique une marche à suivre qui consiste d'abord à simuler les parties équatoriales des mesures pour pouvoir ensuite savoir laquelle des distributions associées aux parties réelles des mesures il faut simuler. D'autres chercheurs ont trouvé comment simuler les parties équatoriales des mesures de von Neumann avec de la communication classique dans le cas de 3 personnes, mais la simulation des parties réelles résiste encore et toujours.

États cohérents et comprimés du potentiel de Morse et intrication créée par un miroir semi-transparent

Pour décrire les vibrations à l'intérieur des molécules diatomiques, le potentiel de Morse est une meilleure approximation que le système de l'oscillateur harmonique. Ainsi, en se basant sur la définition des états cohérents et comprimés donnée dans le cadre du problème de l'oscillateur harmonique, la première partie de ce travail suggère une construction des états cohérents et comprimés pour le potentiel de Morse. Deux types d’états seront construits et leurs différentes propriétés seront étudiées en portant une attention particulière aux trajectoires et aux dispersions afin de confirmer la quasi-classicité de ces états. La deuxième partie de ce travail propose d'insérer ces deux types d’états cohérents et comprimés de Morse dans un miroir semi-transparent afin d'introduire un nouveau moyen de créer de l'intrication. Cette intrication sera mesurée à l’aide de l’entropie linéaire et nous étudierons la dépendance par rapport aux paramètres de cohérence et de compression.

Interactive quantum information theory

La théorie de l'information quantique s'est développée à une vitesse fulgurante au cours des vingt dernières années, avec des analogues et extensions des théorèmes de codage de source et de codage sur canal bruité pour la communication unidirectionnelle. Pour la communication interactive, un analogue quantique de la complexité de la communication a été développé, pour lequel les protocoles quantiques peuvent performer exponentiellement mieux que les meilleurs protocoles classiques pour certaines tâches classiques. Cependant, l'information quantique est beaucoup plus sensible au bruit que l'information classique. Il est donc impératif d'utiliser les ressources quantiques à leur plein potentiel. Dans cette thèse, nous étudions les protocoles quantiques interactifs du point de vue de la théorie de l'information et étudions les analogues du codage de source et du codage sur canal bruité. Le cadre considéré est celui de la complexité de la communication: Alice et Bob veulent faire un calcul quantique biparti tout en minimisant la quantité de communication échangée, sans égard au coût des calculs locaux. Nos résultats sont séparés en trois chapitres distincts, qui sont organisés de sorte à ce que chacun puisse être lu indépendamment. Étant donné le rôle central qu'elle occupe dans le contexte de la compression interactive, un chapitre est dédié à l'étude de la tâche de la redistribution d'état quantique. Nous prouvons des bornes inférieures sur les coûts de communication nécessaires dans un contexte interactif. Nous prouvons également des bornes atteignables avec un seul message, dans un contexte d'usage unique. Dans un chapitre subséquent, nous définissons une nouvelle notion de complexité de l'information quantique. Celle-ci caractérise la quantité d'information, plutôt que de communication, qu'Alice et Bob doivent échanger pour calculer une tâche bipartie. Nous prouvons beaucoup de propriétés structurelles pour cette quantité, et nous lui donnons une interprétation opérationnelle en tant que complexité de la communication quantique amortie. Dans le cas particulier d'entrées classiques, nous donnons une autre caractérisation permettant de quantifier le coût encouru par un protocole quantique qui oublie de l'information classique. Deux applications sont présentées: le premier résultat général de somme directe pour la complexité de la communication quantique à plus d'une ronde, ainsi qu'une borne optimale, à un terme polylogarithmique près, pour la complexité de la communication quantique avec un nombre de rondes limité pour la fonction « ensembles disjoints ». Dans un chapitre final, nous initions l'étude de la capacité interactive quantique pour les canaux bruités. Étant donné que les techniques pour distribuer de l'intrication sont bien étudiées, nous nous concentrons sur un modèle avec intrication préalable parfaite et communication classique bruitée. Nous démontrons que dans le cadre plus ardu des erreurs adversarielles, nous pouvons tolérer un taux d'erreur maximal de une demie moins epsilon, avec epsilon plus grand que zéro arbitrairement petit, et ce avec un taux de communication positif. Il s'ensuit que les canaux avec bruit aléatoire ayant une capacité positive pour la transmission unidirectionnelle ont une capacité positive pour la communication interactive quantique. Nous concluons avec une discussion de nos résultats et des directions futures pour ce programme de recherche sur une théorie de l'information quantique interactive.

Reforming Federal Systems: Insights from Australia, Canada, Germany and Switzerland

Série de l'Observatoire des fédérations

Studies on the interaction of two level atoms with quantized electromagnetic field

The present study described about the interaction of a two level atom and squeezed field with time varying frequency. By applying a sinusoidal variation in the frequency of the field, the randomness in population inversion is reduced and the collapses and periodic revivals are regained. Quantum optics is an emerging field in physics which mainly deals with the interaction of atoms with quantised electromagnetic fields. Jaynes-Cummings Model (JCM) is a key model among them, which describes the interaction between a two level atom and a single mode radiation field. Here the study begins with a brief history of light, atom and their interactions. Also discussed the interaction between atoms and electromagnetic fields. The study suggest a method to manipulate the population inversion due to interaction and control the randomness in it, by applying a time dependence on the frequency of the interacting squeezed field.The change in behaviour of the population inversion due to the presence of a phase factor in the applied frequency variation is explained here.This study also describes the interaction between two level atom and electromagnetic field in nonlinear Kerr medium. It deals with atomic and field state evolution in a coupled cavity system. Our results suggest a new method to control and manipulate the population of states in two level atom radiation interaction,which is very essential for quantum information processing.We have also studied the variation of atomic population inversion with time, when a two level atom interacts with light field, where the light field has a sinusoidal frequency variation with a constant phase. In both coherent field and squeezed field cases, the population inversion variation is completely different from the phase zero frequency modulation case. It is observed that in the presence of a non zero phase φ, the population inversion oscillates sinusoidally.Also the collapses and revivals gradually disappears when φ increases from 0 to π/2. When φ = π/2 the evolution of population inversion is identical to the case when a two level atom interacts with a Fock state. Thus, by applying a phase shifted frequency modulation one can induce sinusoidal oscillations of atomic inversion in linear medium, those normally observed in Kerr medium. We noticed that the entanglement between the atom and field can be controlled by varying the period of the field frequency fluctuations. The system has been solved numerically and the behaviour of it for different initial conditions and different susceptibility values are analysed. It is observed that, for weak cavity coupling the effect of susceptibility is minimal. In cases of strong cavity coupling, susceptibility factor modifies the nature in which the probability oscillates with time. Effect of susceptibility on probability of states is closely related to the initial state of the system.

Ökonomie und Arbeit. Der Kontext von Supervision

Supervision ist Beratung beruflichen Handelns. Zentrales Anliegen der Dissertation ist die Entwicklung der Arbeitswelt in der Moderne sowie die aktuellen Veränderungen näher zu beleuchten, um ihre Bedeutung für die Supervision zu eruieren. Vorab werden die Geschichte und Weiterentwicklung der Supervision mit ihren Spannungsfeldern skizziert. Der Hauptteil handelt von der Herausbildung und Durchsetzung der kapitalistischen Produktionsweise. Es wird dargelegt, was für ein vielschichtiger Prozess für den einzelnen und die Gesellschaft in Gang gesetzt wurde, um die moderne Wirtschaftsweise zu installieren und welche Unterstützung aus anderen Bereichen -Religion, Politik etc. - dazu von Nöten war. Darüber hinaus wird aufgezeigt, welche Konflikte von Anfang an vorhanden waren. Das Hauptaugenmerk richtet sich auf die Prämissen der modernen Arbeitswelt und die mögliche Inkompatibilität ihrer Anliegen: Gewinn und Gerechtigkeit, Konkurrenz und Kooperation, freier Markt und staatliche Regulation, Gleichheit und Spezialisierung, Individualität und Kollektivität. Konflikte und Verstrickungen, die sich daraus für den arbeitenden Menschen ergeben und somit Thema für die Supervision wurden, werden herausgearbeitet. In bezug auf Supervision wird dargestellt, welche Problematik der Wirtschaftsweise immanent ist und schwerlich durch Beratung aufgelöst werden kann. Eine bedeutsame Stellung nimmt die Arbeit als eine zentrale Kategorie der Ökonomie ein. Die Verflechtung von Arbeit und Ökonomie sowie der Entwicklungsverlauf von Arbeit werden skizziert: vom Fordismus zur Globalisierung. Beschrieben und erörtert werden die Konsequenzen für die aktuellen Arbeitsformen und -bedingungen durch die Produktivkraftentwicklung und die neuen Produktionskonzepte. Arbeit wird kritisch in ihrer Funktion für die kapitalistische Produktionsweise reflektiert, mit ihren Beeinträchtigungen für den tätigen Menschen. Das ambivalente Verhältnis von Mensch und Ökonomie wird als das signifikanteste Spannungsfeld für die Supervision betrachtet, verbunden mit der Herausforderung, Supervision nicht zu einer Beratungstechnologie zur Anpassung und Funktionalisierung des Menschen an die sich immer rascher verändernde Arbeitswelt zu zuschneiden.

Optimal control theory for a unitary operation under dissipative evolution

We show that optimizing a quantum gate for an open quantum system requires the time evolution of only three states irrespective of the dimension of Hilbert space. This represents a significant reduction in computational resources compared to the complete basis of Liouville space that is commonly believed necessary for this task. The reduction is based on two observations: the target is not a general dynamical map but a unitary operation; and the time evolution of two properly chosen states is sufficient to distinguish any two unitaries. We illustrate gate optimization employing a reduced set of states for a controlled phasegate with trapped atoms as qubit carriers and a iSWAP gate with superconducting qubits.

Optimizing Robust Quantum Gates in Open Quantum Systems

We are currently at the cusp of a revolution in quantum technology that relies not just on the passive use of quantum effects, but on their active control. At the forefront of this revolution is the implementation of a quantum computer. Encoding information in quantum states as “qubits” allows to use entanglement and quantum superposition to perform calculations that are infeasible on classical computers. The fundamental challenge in the realization of quantum computers is to avoid decoherence – the loss of quantum properties – due to unwanted interaction with the environment. This thesis addresses the problem of implementing entangling two-qubit quantum gates that are robust with respect to both decoherence and classical noise. It covers three aspects: the use of efficient numerical tools for the simulation and optimal control of open and closed quantum systems, the role of advanced optimization functionals in facilitating robustness, and the application of these techniques to two of the leading implementations of quantum computation, trapped atoms and superconducting circuits. After a review of the theoretical and numerical foundations, the central part of the thesis starts with the idea of using ensemble optimization to achieve robustness with respect to both classical fluctuations in the system parameters, and decoherence. For the example of a controlled phasegate implemented with trapped Rydberg atoms, this approach is demonstrated to yield a gate that is at least one order of magnitude more robust than the best known analytic scheme. Moreover this robustness is maintained even for gate durations significantly shorter than those obtained in the analytic scheme. Superconducting circuits are a particularly promising architecture for the implementation of a quantum computer. Their flexibility is demonstrated by performing optimizations for both diagonal and non-diagonal quantum gates. In order to achieve robustness with respect to decoherence, it is essential to implement quantum gates in the shortest possible amount of time. This may be facilitated by using an optimization functional that targets an arbitrary perfect entangler, based on a geometric theory of two-qubit gates. For the example of superconducting qubits, it is shown that this approach leads to significantly shorter gate durations, higher fidelities, and faster convergence than the optimization towards specific two-qubit gates. Performing optimization in Liouville space in order to properly take into account decoherence poses significant numerical challenges, as the dimension scales quadratically compared to Hilbert space. However, it can be shown that for a unitary target, the optimization only requires propagation of at most three states, instead of a full basis of Liouville space. Both for the example of trapped Rydberg atoms, and for superconducting qubits, the successful optimization of quantum gates is demonstrated, at a significantly reduced numerical cost than was previously thought possible. Together, the results of this thesis point towards a comprehensive framework for the optimization of robust quantum gates, paving the way for the future realization of quantum computers.