Journal Club QuantPh+CondMat: Allan Tosta, 21.03, 16h00 @CBPF

The first talk by Allan was great. He nicely introduced the Toric Code. Now we are ready to see how anyons pop up in such a model. This is the topic of his second talk. See the informations below, and be sure to not miss it.

Title: Estatística como simetria no código tórico.

Speaker: Allan David Cony Tosta (UFF)

Coordinates: room 601C, CBPF. 21.03, 16h00

Abstract: Nesse seminário faremos um resumo comentado do modelo definido pelo famoso artigo “Fault-Tolerant Quantum Computation by Anyons” de A.Yu.Kitaev, o Código Tórico, motivando sua definição como um código de correção de erros que usa “graus de liberdade homologicos” do toro para gerar um espaço de codificação protegido de erros de “bit flip” e “phase flip”, mostraremos como a dimensão desse espaço pode ser caracterizada através da “característica de Euler” do toro e dos operadores lógicos atuando no código. Mostramos uma Hamiltoniana que implementa esse código a nível de hardware, e que seu subspaço invariante de menor energia é o subspaço protegido, que acaba sendo invariante à perturbações locais arbitrárias. Mostraremos também que a robustez desse subespaço está intimamente conectada com a estatística fracionária das excitações do modelo, que acabam sendo anyons abelianos.

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New article: Experimental characterization of a spin quantum heat engine

Title: Experimental characterization of a spin quantum heat engine

Authors: John P. S. Peterson, Tiago B. Batalhão, Marcela Herrera, Alexandre M. Souza, Roberto S. Sarthour, Ivan S. Oliveira, Roberto M. Serra

link: https://arxiv.org/abs/1803.06021

Abstract: Developments in the thermodynamics of small quantum systems envisage non-classical thermal machines. In this scenario, energy fluctuations play a relevant role in the description of irreversibility. We experimentally implement a quantum heat engine based on a spin-1/2 system and nuclear magnetic resonance techniques. Irreversibility at microscope scale is fully characterized by the assessment of energy fluctuations associated with the work and heat flows. We also investigate the efficiency lag related to the entropy production at finite time. The implemented heat engine operates in a regime where both thermal and quantum fluctuations (associated with transitions among the instantaneous energy eigenstates) are relevant to its description. Performing a quantum Otto cycle at maximum power, the proof-of-concept quantum heat engine is able to reach an efficiency for work extraction (η≈42%) very close to its thermodynamic limit (η=44%).

Journal Club QuantPh+CondMat: Allan David, 15.03, 16h00 @CBPF

Since the middle of 2017 we have managed to put together a journal club where condensed matter and quantum information people have to talk to each other. It is not always easy, but we are having good discussions and quite some fun. One of the topics that always pops up is topological quantum computation… As no one here @CBPF knows a lot about it, we get stuck very quickly in some (probably) basic questions. To help us get a clear view of this topic we invited Allan David to join us in our next meeting. Allan is a PhD student at UFF who, together with his advisor Ernesto Galvão, has been studying this theme in recent years. We are very happy to have Allan in our journal club, and everybody is invited. It’s gonna be relaxed; it’s gonna be informal; it’s gonna be fun!

Title: Estatística como simetria no código tórico.

Speaker: Allan David (UFF)

Coordinates: room 601C, CBPF. 15.03, 16h00

Abstract: Nesse seminário faremos um resumo comentado do modelo definido pelo famoso artigo “Fault-Tolerant Quantum Computation by Anyons” de A.Yu.Kitaev, o Código Tórico, motivando sua definição como um código de correção de erros que usa “graus de liberdade homologicos” do toro para gerar um espaço de codificação protegido de erros de “bit flip” e “phase flip”, mostraremos como a dimensão desse espaço pode ser caracterizada através da “característica de Euler” do toro e dos operadores lógicos atuando no código. Mostramos uma Hamiltoniana que implementa esse código a nível de hardware, e que seu subspaço invariante de menor energia é o subspaço protegido, que acaba sendo invariante à perturbações locais arbitrárias. Mostraremos também que a robustez desse subespaço está intimamente conectada com a estatística fracionária das excitações do modelo, que acabam sendo anyons abelianos.

New article: Quantum Walks via Quantum Cellular Automata


Title: Quantum Walks via Quantum Cellular Automata

Authors: Pedro C.S. Costa (CBPF), Renato Portugal (LNCC), Fernando de Melo (CBPF)

Link: https://arxiv.org/abs/1803.02176

Abstract: Very much as its classical counterpart, quantum cellular automata are expected to be a great tool for simulating complex quantum systems. Here we introduce a partitioned model of quantum cellular automata and show how it can simulate, with the same amount of resources (in terms of effective Hilbert space dimension), various models of quantum walks. All the algorithms developed within quantum walk models are thus directly inherited by the quantum cellular automata. The latter, however, has its structure based on local interactions between qubits, and as such it can be more suitable for present (and future) experimental implementations.

QM Talks@CBPF: Ivan de Oliveira, HOJE, 16h

Title: ‘Q-bits supercondutores’

Speaker: Ivan de Oliveira (CBPF)

Coordinates: room 601C, CBPF. 28.02, 16h00

Abstract: O ano de 2017 pode entrar para a história da computação e da tecnologia (e também da física!) como aquele em que os computadores quânticos superaram as possibilidades computacionais das máquinas clássicas, um marco que está sendo chamado ‘supremacia quântica’.

A razão para isso foi o anúncio feito pela empresa IBM, em novembro do ano passado, da construção de um chip quântico contendo 50 q-bits (50 bits quânticos), baseado na tecnologia de supercondutores.

A despeito de um inevitável grau de sensacionalismo midiático, os esforços, agora, concentram-se, por um lado, em se demonstrar que, de fato, tal supremacia ocorreu e, por outro, tornar essa tecnologia acessível ao usuário comum.

Neste seminário, serão apresentados os três tipos de q-bits supercondutores, como eles se acoplam em um chip passível de escalonamento, bem como a plataforma da IBM.

QM Talks@CBPF: Fabricio Toscano, 07.02, 16h00

The QM Talks@CBPF are back! The kickoff  of the series’ year will be given next Wednesday (07.02) by Fabricio Toscano (UFRJ). Fabricio will give us an overview about uncertainty inequalities, with special focus on entropic inequalities for coarse-grained continuous variables systems. The talk will be based on Fabricio’s recent works in collaboration with Stephen P. Walborn (UFRJ), Lukasz Rudnicki (Polish Academy of Sciences), and Daniel S. Tasca (UFF). Be sure to be there.

Title: Quantum Uncertainty Relations for Coarse-grained Measurements

Speaker: Fabricio Toscano (UFRJ)

Coordinates: room 601C, CBPF. 07.02, 16h00

Abstract: We review recent developments in quantifying quantum uncertainty when coarse-grained measurements are performed on quantum systems. Particular attention is given to coarse-graining of continuous variable systems, for which many well-known uncertainty relations break down under strong coarse graining. The use of these uncertainty relations in quantum information schemes is also discussed.

CBPF_News: Físico do CBPF e colegas publicam modelo sobre o fenômeno da sincronização

Artigo publicado orinalmente no CBPF_News: http://portal.cbpf.br/pt-br/ultimas-noticias/fisico-do-cbpf-e-colegas-publicam-modelo-sobre-o-fenomeno-da-sincronizacao

Para quem já teve a chance de observar, é um fenômeno dos mais curiosos: as palmas de uma plateia sincronizando, sem que isso tenha sido combinado previamente entre os aplaudidores. Sincronia semelhante pode ser observada também na luz dos vaga-lumes ou no canto dos grilos. Artigo de um trio de físicos – um deles do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro (RJ) – estabeleceu um modelo matemático bem geral que pode ajudar a descrever a sincronização em diversos sistemas, tanto naturais quanto artificiais.

O modelo desenvolvido pelo pesquisador titular do CBPF Raúl Vallejos ‒ em coautoria com a Celia Anteneodo, do Departamento de Física da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, e Juan Carlos González-Avella, do Instituto de Física Interdisciplinar e Sistemas Complexos, da Universidade das Ilhas Baleares (Espanha) ‒ é basicamente um conjunto de centenas de equações.

O trio de pesquisadores partiu de ferramental matemático usado para entender a relação entre predadores e comida. Ou seja, uma equação ‒ tecnicamente, denominada mapa logístico ‒ que mostra como varia o número de indivíduos de uma população com a disponibilidade de alimento.

Três parâmetros

Vallejos e colegas juntaram cerca de 200 dessas equações, cada uma delas podendo representar um ‘sistema’ (uma ‘comunidade’). Por exemplo, uma comunidade de predadores, um vaga-lume, um grilo, um investidor da bolsa de valores; até mesmo uma célula cardíaca ou cerebral ‒ um ataque epilético é marcado por um sem-número de neurônios ‘disparando’ sinais nervosos em sincronia.

Ou seja, o modelo pode ser aplicado a grande gama de sistemas interagentes. O importante é que cada sistema tenha os seguintes requisitos básicos: i) apresentar uma dinâmica própria, como emitir luz ou sons, comprar ou vender, pulsar etc.; ii) as partes devem interagir em si.

Certas espécies de vaga-lumes podem apresentar o fenômeno da sincronização

(Crédito: Mike Lewinski/Wikimedia Commons)

Um computador analisou como essas equações evoluíam no tempo e determinou o estado final (‘atrator’, tecnicamente) do conjunto. Cada vez que o computador ‘rodava’ o modelo, os autores variaram três parâmetros: i) a intensidade da interação; ii) o alcance dessa interação; iii) e o ‘atraso’ dela, ou seja, o tempo que ela leva para chegar a cada elemento do sistema.

“A ideia era ver como esses três parâmetros ajudavam ou atrapalhavam a sincronização. Vimos, por exemplo, que interações de longo alcance, em geral, favorecem a sincronização”, comenta Vallejos, citando como exemplo o caso dos vaga-lumes, cuja interação se dá por meio da luz. O artigo está em Physical Review E (v. 95, p. 062213, 2017).

Mas, talvez, o resultado mais intrigante da análise computacional tenha sido o seguinte: uma interação de curto alcance ‒ isto é, entre os primeiros vizinhos ‒ com um atraso moderado também parece favorecer a sincronização.

“O modelo que desenvolvemos tem todos os ingredientes, bem como captura toda a essência, dos sistemas mais gerais e complexos”, resume Vallejos.

Um bando de grilos pode sincronizar o ‘canto’ (chilrear)

(Crédito: Wikimedia Commons)

Fenômeno comum

A sincronização é muito comum na natureza, a qual parece tender a um tipo de ‘ordem espontânea’. Por exemplo, uma multidão andando sobre uma ponte pode sincronizar seus passos e causar movimentos não previstos na estrutura, como ocorreu em Londres, em 10 de junho de 2000. O fenômeno está presente desde o diminuto universo subatômico ‒ com elétrons sincronizados na supercondutividade, na qual se conduz eletricidade sem perder calor ‒ ao ‘balé’ executado por pássaros e peixes ‒ biólogos acreditam que esse comportamento sirva para confundir os predadores.

Modelos computacionais indicam que as regras dessa fenomenal coreografia aérea e subaquática são basicamente três: i) cada indivíduo deve estar ciente apenas de seus vizinhos; ii) cada indivíduo tende a se alinhar com esses vizinhos; iii) cada indivíduo é atraído pelo outro, mantendo deste uma pequena distância.

Humanos, ao aplaudirem, tendem a sincronizar o som das palmas

(Divulgação: Ciell/Wikimedia Commons)

Humanos, ao cantarem ou dançarem, também tendem a sincronizar essas ações. Menos divulgado é o fato de objetos inanimados também sincronizarem. Talvez, o exemplo histórico mais emblemático seja o de relógios pendurados lado a lado. Foi em um sistema assim que o físico holandês Christiaan Huygens (1629-1695) percebeu que, passado certo tempo, os pêndulos tendiam a sincronizar seu movimento oscilatório ‒ no caso, a interação entre eles se dá por meio das vibrações mecânicas que produzem e se difundem pelo material com o qual estão em contato (parede, trave, suporte etc.).

Mais informações:

Artigo: https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.95.062213

Livro sobre sincronização (em inglês): https://www.amazon.com.br/Sync-Order-Emerges-Universe-Nature/dp/0786887214

Palestra sobre sincronização (em inglês): https://www.youtube.com/watch?v=aSNrKS-sCE0