Quantum control per la generazione e il mantenimento dell'entanglement in processi dissipativi

Purpose of this thesis is studying a quantum control protocol that might drive the dynamics of a two-qubit system in a dissipative environment in order to preserve or even generate entanglement between them. The aim is twofold. On one side entanglement is a precious instrument because of its many applications in modern quantum technologies, but its inner fragility with respect to dissipation makes it a very delicate tool to handle in a realistic open quantum scenario. It is thus important to have different protocols and methods to enhance entanglement formation and preservation. On the other side, the thesis addresses a peculiar feature of any open quantum dynamics; namely, although entanglement is easily destroyed by a noisy environment, it is possible to engineer particular environment correlation functions such that a purely dissipative process can create entanglement and make it persist asymptotically in time. Focus of this thesis is in fact the study of quantum control protocols (known as quantum filtering and markovian feedback) able to enhance the environment capability of generating initial and asymptotic entanglement. Indeed, the thesis provides physical scenarios where markovian quantum feedback protocols are able to enhance the entanglement generation through dissipation.

Scopo di questa tesi è adottare protocolli di quantum control a sistemi di 2 qubit immersi in ambienti dissipativi al fine di mantenere e perfino generare entanglement fra di essi. La tesi ha una duplice motivazione. Da un lato l'entanglement è uno strumento prezioso per via delle sue numerevoli applicazioni nel campo delle moderne tecnologie quantistiche, tuttavia, la sua intrinseca fragilità rispetto alla dissipazione lo rende un oggetto particolarmente delicato da maneggiare in un contesto realistico di dinamica aperta. È perciò di fondamentale importanza possedere diversi protocolli e metodi che garantiscano la formazione e il mantenimento dell'entanglement. Dall'altro lato, la tesi affronta un'altra tematica peculiare dei sistemi quantistici aperti. Ossia, sebbene l'entanglement sia solitamente distrutto dalla presenza di un ambiente rumoroso, è ciononostante possibile modellizzare degli ambienti con particolari funzioni di correlazione capaci di generare e preservare asintoticamente l'entanglement fra qubit in un contesto dissipativo. A tal proposito, la tesi verte anche sullo studio di protocolli di quantum control (in particolare di quantum filtering e quantum feedback) in grado di rafforzare la capacità dell'ambiente di generare entanglement e di farlo persistere asintoticamente nel tempo. In conclusione, la tesi fornisce dei modelli fisici in cui protocolli di quantum feedback markoviano sono capaci di migliorare la generazione di entanglement attraverso processi dissipativi.