Optical quantum memory for polarization qubits with V-type three-level atoms

We investigate an optical quantum memory scheme with V-type three-level atoms based on the controlled reversible inhomogeneous broadening (CRIB) technique. We theoretically show the possibility to store and retrieve a weak light pulse interacting with the two optical transitions of the system. This scheme implements a quantum memory for a polarization qubit - a single photon in an arbitrary polarization state - without the need of two spatially separated two-level media, thus offering the advantage of experimental compactness overcoming the limitations due to mismatching and unequal efficiencies that can arise in spatially separated memories. The effects of a relative phase change between the atomic levels, as well as of phase noise due to, for example, the presence of spurious electric and magnetic fields are analyzed.

Effective cutting of a quantum spin chain by bond impurities

Spin chains are promising media for short-haul quantum communication. Their usefulness is manifested in all those situations where stationary information carriers are involved. In the majority of the communication schemes relying on quantum spin chains, the latter are assumed to be finite in length, with well-addressable end-chain spins. In this paper we propose that such a configuration could actually be achieved by a mechanism that is able to effectively cut a spin ring through the insertion of bond defects. We then show how suitable physical quantities can be identified as figures of merit for the effectiveness of the cut. We find that, even for modest strengths of the bond defect, a ring is effectively cut at the defect site. In turn, this has important effects on the amount of correlations shared by the spins across the resulting chain, which we study by means of a scattering-based mechanism of a clear physical interpretation. © 2013 American Physical Society.

Quantum annealing of an ising spin-glass by Green's function Monte Carlo

We present an implementation of quantum annealing (QA) via lattice Green's function Monte Carlo (GFMC), focusing on its application to the Ising spin glass in transverse field. In particular, we study whether or not such a method is more effective than the path-integral Monte Carlo- (PIMC) based QA, as well as classical simulated annealing (CA), previously tested on the same optimization problem. We identify the issue of importance sampling, i.e., the necessity of possessing reasonably good (variational) trial wave functions, as the key point of the algorithm. We performed GFMC-QA runs using such a Boltzmann-type trial wave function, finding results for the residual energies that are qualitatively similar to those of CA (but at a much larger computational cost), and definitely worse than PIMC-QA. We conclude that, at present, without a serious effort in constructing reliable importance sampling variational wave functions for a quantum glass, GFMC-QA is not a true competitor of PIMC-QA.

Optimization by quantum annealing: Lessons from simple cases

We investigate the basic behavior and performance of simulated quantum annealing (QA) in comparison with classical annealing (CA). Three simple one-dimensional case study systems are considered: namely, a parabolic well, a double well, and a curved washboard. The time-dependent Schrodinger evolution in either real or imaginary time describing QA is contrasted with the Fokker-Planck evolution of CA. The asymptotic decrease of excess energy with annealing time is studied in each case, and the reasons for differences are examined and discussed. The Huse-Fisher classical power law of double-well CA is replaced with a different power law in QA. The multiwell washboard problem studied in CA by Shinomoto and Kabashima and leading classically to a logarithmic annealing even in the absence of disorder turns to a power-law behavior when annealed with QA. The crucial role of disorder and localization is briefly discussed.

Quantum yield measurements for the photocatalytic oxidation of Acid Orange 7 (AO7) and reduction of 2,6-dichloroindophenol (DCIP) on transparent TiO2 films of various thickness

This work comprises the photoactivity assessment of transparent sol–gel TiO2 coatings of various thickness using two test systems. The initial rates of both photocatalytic reactions, namely the oxidative bleaching of Acid Orange 7 (AO7) and the reductive bleaching of 2,6-dichlorindophenol (DCIP) increase linearly with increasing titania film thickness as well as with increasing absorbed light flux. The latter work revealed quantum yields (QY) of 0.19% and 92% for the AO7 and DCIP test system, respectively. The low QY for the AO7 oxidation is due to the combination of a slow irreversible reduction of oxygen and also for the oxidation of AO7, thus favouring the high efficiency for electron–hole recombination that is typical for aqueous organic pollutants. In contrast, the very high QY for the photocatalysed reduction of DCIP is due to the presence of a vast excess of glycerol which traps the photogenerated holes efficiently and so allow time for the slower reduction of dye to take place. Furthermore, the oxidation of glycerol results in the generation of highly reducing R-hydroxyalkyl radicals that are able to also reduce DCIP. As a consequence of this ‘current doubling’ effect, the observed QY (92%) is much higher than the apparent theoretical value of 50%.

Amplitude modulation of quantum-ion-acoustic wavepackets in electron-positron-ion plasmas: Modulational instability, envelope modes, extreme waves

A semirelativistic fluid model is employed to describe the nonlinear amplitude modulation of low-frequency (ionic scale) electrostatic waves in an unmagnetized electron-positron-ion plasma. Electrons and positrons are assumed to be degenerated and inertialess, whereas ions are warm and classical. A multiscale perturbation method is used to derive a nonlinear Schrödinger equation for the envelope amplitude, based on which the occurrence of modulational instability is investigated in detail. Various types of localized ion acoustic excitations are shown to exist, in the form of either bright type envelope solitons (envelope pulses) or dark-type envelope solitons (voids, holes). The plasma configurational parameters (namely, the relativistic degeneracy parameter, the positron concentration, and the ionic temperature) are shown to affect the conditions for modulational instability significantly, in fact modifying the associated threshold as well as the instability growth rate. In particular, the relativistic degeneracy parameter leads to an enhancement of the modulational instability mechanism. Furthermore, the effect of different relevant plasma parameters on the characteristics (amplitude, width) of these envelope solitary structures is also presented in detail. Finally, the occurrence of extreme amplitude excitation (rogue waves) is also discussed briefly. Our results aim at elucidating the formation and dynamics of nonlinear electrostatic excitations in superdense astrophysical regimes.

Limitations of a measurement-assisted optomechanical route to quantum macroscopicity of superposition states

Optomechanics is currently believed to provide a promising route towards the achievement of genuine quantum effects at the large, massive-system scale. By using a recently proposed figure of merit that is well suited to address continuous-variable systems, in this paper we analyze the requirements needed for the state of a mechanical mode (embodied by an end-cavity cantilever or a membrane placed within an optical cavity) to be qualified as macroscopic. We show that, according to the phase space-based criterion that we have chosen for our quantitative analysis, the state achieved through strong single-photon radiation-pressure coupling to a quantized field of light and conditioned by measurements operated on the latter might be interpreted as macroscopically quantum. In general, though, genuine macroscopic quantum superpositions appear to be possible only under quite demanding experimental conditions

Facile Synthesis of Anatase TiO2 Quantum-Dot/Graphene-Nanosheet Composites with Enhanced Electrochemical Performance for Lithium-Ion Batteries

A facile method to synthesize well-dispersed TiO₂ quantum dots on graphene nanosheets (TiO₂-QDs/GNs) in a water-in-oil (W/O) emulsion system is reported. The TiO₂/graphene composites display high performance as an anode material for lithium-ion batteries (LIBs), such as having high reversible lithium storage capacity, high Coulombic efficiency, excellent cycling stability, and high rate capability. The excellent electrochemical performance and special structure of the composites thus offer a way to prepare novel graphene-based electrode materials for high-energy-density and high-power LIBs. 

Weakly nonlinear ion-acoustic excitations in a relativistic model for dense quantum plasma

The dynamics of linear and nonlinear ionic-scale electrostatic excitations propagating in a magnetized relativistic quantum plasma is studied. A quantum-hydrodynamic model is adopted and degenerate statistics for the electrons is taken into account. The dispersion properties of linear ion acoustic waves are examined in detail. A modified characteristic charge screening length and "sound speed" are introduced, for relativistic quantum plasmas. By employing the reductive perturbation technique, a Zakharov-Kuznetzov-type equation is derived. Using the small-k expansion method, the stability profile of weakly nonlinear slightly supersonic electrostatic pulses is also discussed. The effect of electron degeneracy on the basic characteristics of electrostatic excitations is investigated. The entire analysis is valid in a three-dimensional as well as in two-dimensional geometry. A brief discussion of possible applications in laboratory and space plasmas is included.

Does Chance hide Necessity? : a reevaluation of the debate ‘determinism - indeterminism’ in the light of quantum mechanics and probability theory

Dans cette thèse l’ancienne question philosophique “tout événement a-t-il une cause ?” sera examinée à la lumière de la mécanique quantique et de la théorie des probabilités. Aussi bien en physique qu’en philosophie des sciences la position orthodoxe maintient que le monde physique est indéterministe. Au niveau fondamental de la réalité physique – au niveau quantique – les événements se passeraient sans causes, mais par chance, par hasard ‘irréductible’. Le théorème physique le plus précis qui mène à cette conclusion est le théorème de Bell. Ici les prémisses de ce théorème seront réexaminées. Il sera rappelé que d’autres solutions au théorème que l’indéterminisme sont envisageables, dont certaines sont connues mais négligées, comme le ‘superdéterminisme’. Mais il sera argué que d’autres solutions compatibles avec le déterminisme existent, notamment en étudiant des systèmes physiques modèles. Une des conclusions générales de cette thèse est que l’interprétation du théorème de Bell et de la mécanique quantique dépend crucialement des prémisses philosophiques desquelles on part. Par exemple, au sein de la vision d’un Spinoza, le monde quantique peut bien être compris comme étant déterministe. Mais il est argué qu’aussi un déterminisme nettement moins radical que celui de Spinoza n’est pas éliminé par les expériences physiques. Si cela est vrai, le débat ‘déterminisme – indéterminisme’ n’est pas décidé au laboratoire : il reste philosophique et ouvert – contrairement à ce que l’on pense souvent. Dans la deuxième partie de cette thèse un modèle pour l’interprétation de la probabilité sera proposé. Une étude conceptuelle de la notion de probabilité indique que l’hypothèse du déterminisme aide à mieux comprendre ce que c’est qu’un ‘système probabiliste’. Il semble que le déterminisme peut répondre à certaines questions pour lesquelles l’indéterminisme n’a pas de réponses. Pour cette raison nous conclurons que la conjecture de Laplace – à savoir que la théorie des probabilités présuppose une réalité déterministe sous-jacente – garde toute sa légitimité. Dans cette thèse aussi bien les méthodes de la philosophie que de la physique seront utilisées. Il apparaît que les deux domaines sont ici solidement reliés, et qu’ils offrent un vaste potentiel de fertilisation croisée – donc bidirectionnelle.

From Classical to Quantum Secret Sharing

Dans ce mémoire, nous nous pencherons tout particulièrement sur une primitive cryptographique connue sous le nom de partage de secret. Nous explorerons autant le domaine classique que le domaine quantique de ces primitives, couronnant notre étude par la présentation d’un nouveau protocole de partage de secret quantique nécessitant un nombre minimal de parts quantiques c.-à-d. une seule part quantique par participant. L’ouverture de notre étude se fera par la présentation dans le chapitre préliminaire d’un survol des notions mathématiques sous-jacentes à la théorie de l’information quantique ayant pour but primaire d’établir la notation utilisée dans ce manuscrit, ainsi que la présentation d’un précis des propriétés mathématique de l’état de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) fréquemment utilisé dans les domaines quantiques de la cryptographie et des jeux de la communication. Mais, comme nous l’avons mentionné plus haut, c’est le domaine cryptographique qui restera le point focal de cette étude. Dans le second chapitre, nous nous intéresserons à la théorie des codes correcteurs d’erreurs classiques et quantiques qui seront à leur tour d’extrême importances lors de l’introduction de la théorie quantique du partage de secret dans le chapitre suivant. Dans la première partie du troisième chapitre, nous nous concentrerons sur le domaine classique du partage de secret en présentant un cadre théorique général portant sur la construction de ces primitives illustrant tout au long les concepts introduits par des exemples présentés pour leurs intérêts autant historiques que pédagogiques. Ceci préparera le chemin pour notre exposé sur la théorie quantique du partage de secret qui sera le focus de la seconde partie de ce même chapitre. Nous présenterons alors les théorèmes et définitions les plus généraux connus à date portant sur la construction de ces primitives en portant un intérêt particulier au partage quantique à seuil. Nous montrerons le lien étroit entre la théorie quantique des codes correcteurs d’erreurs et celle du partage de secret. Ce lien est si étroit que l’on considère les codes correcteurs d’erreurs quantiques étaient de plus proches analogues aux partages de secrets quantiques que ne leur étaient les codes de partage de secrets classiques. Finalement, nous présenterons un de nos trois résultats parus dans A. Broadbent, P.-R. Chouha, A. Tapp (2009); un protocole sécuritaire et minimal de partage de secret quantique a seuil (les deux autres résultats dont nous traiterons pas ici portent sur la complexité de la communication et sur la simulation classique de l’état de GHZ).

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.

Current-density-functional approach to large quantum dots in intense magnetic fields

Within current-density-functional theory, we have studied a quantum dot made of 210 electrons confined in a disk geometry. The ground state of this large dot exhibits some features as a function of the magnetic field (Beta) that can be attributed in a clear way to the formation of compressible and incompressible states of the system. The orbital and spin angular momenta, the total energy, ionization and electron chemical potentials of the ground state, as well as the frequencies of far-infrared edge modes are calculated as a function of Beta, and compared with available experimental and theoretical results.

Transverse dipole spin modes in quantum dots

We have carried out a systematic analysis of the transverse dipole spin response of a large-size quantum dot within time-dependent current density functional theory. Results for magnetic fields corresponding to integer filling factors are reported, as well as a comparison with the longitudinal dipole spin response. As in the two-dimensional electron gas, the spin response at high-spin magnetization is dominated by a low-energy transverse mode.

Wave-vector dependence of spin and density multipole excitations in quantum dots

We have employed time-dependent local-spin density-functional theory to analyze the multipole spin and charge density excitations in GaAs-AlxGa1-xAs quantum dots. The on-plane transferred momentum degree of freedom has been taken into account, and the wave-vector dependence of the excitations is discussed. In agreement with previous experiments, we have found that the energies of these modes do not depend on the transferred wave vector, although their intensities do. Comparison with a recent resonant Raman scattering experiment [C. Schüller et al., Phys. Rev. Lett. 80, 2673 (1998)] is made. This allows us to identify the angular momentum of several of the observed modes as well as to reproduce their energies