El proceso de decoherencia para un sistema cuántico abierto con análogo clasico caótico (un pozo doble perturbado armónicamente acoplado a un baño de infinitos osciladores arnninicos) es estudiado. Se analiza el comportamiento de la tasa de producción de entropía mostrando que posee dos regímenes relevantes: Para tiempos cortos ésta es proporcional a la intensidad del acoplamiento sistema-entorno. Posteriormente, pero antes del equilibrio, entra en un régimen donde es fijada por el exponente de Lyapunov del sistema. Este segundo régimen es encontrado siempre que el coeficiente de difusión supere cierto valor umbral. El tiempo de transición entre ambos regímenes muestra una dependencia lineal con la entopía del estado inicial y logaritmica con el coeficiente de difusión. Además, el desarrollo de estructuras en la función de Wigner es investigado, observando que para sistemas caóticos éstas saturan rápido, en un tiempo que concuerda con el tiempo de Ehrenfest. Comprobamos que, contrariamente a conjeturas previas, cuando el sistema es inacroscópico la saturación se produce a escalas que son típicamente sub-Planckianas. Estas escalas determinan la sensibilidad de un sistema cuántico a las perturbaciones. Mostramos que para sistemas cuánticos caóticos la tasa de decaimiento de la Fidelidad medida de la sensibilidad de un sistema cuántico a las perturbaciones, esta determinada por sus exponentes de Lyapunov. Esta escala temporal establece el tiempo de decoherencia de un sistema acoplado a un entorno caótico.
El proceso de decoherencia para un sistema cuántico abierto con análogo clasico caótico (un pozo doble perturbado armónicamente acoplado a un baño de infinitos osciladores arnninicos) es estudiado. Se analiza el comportamiento de la tasa de producción de entropía mostrando que posee dos regímenes relevantes: Para tiempos cortos ésta es proporcional a la intensidad del acoplamiento sistema-entorno. Posteriormente, pero antes del equilibrio, entra en un régimen donde es fijada por el exponente de Lyapunov del sistema. Este segundo régimen es encontrado siempre que el coeficiente de difusión supere cierto valor umbral. El tiempo de transición entre ambos regímenes muestra una dependencia lineal con la entopía del estado inicial y logaritmica con el coeficiente de difusión. Además, el desarrollo de estructuras en la función de Wigner es investigado, observando que para sistemas caóticos éstas saturan rápido, en un tiempo que concuerda con el tiempo de Ehrenfest. Comprobamos que, contrariamente a conjeturas previas, cuando el sistema es inacroscópico la saturación se produce a escalas que son típicamente sub-Planckianas. Estas escalas determinan la sensibilidad de un sistema cuántico a las perturbaciones. Mostramos que para sistemas cuánticos caóticos la tasa de decaimiento de la Fidelidad medida de la sensibilidad de un sistema cuántico a las perturbaciones, esta determinada por sus exponentes de Lyapunov. Esta escala temporal establece el tiempo de decoherencia de un sistema acoplado a un entorno caótico.
Los sistemas cuánticos son altamente sensibles a las interacciones con el entorno, lo que los hace particularmente vulnerables a fenómenos como la decoherencia cuántica. Esta interacción altera su evolución temporal y da lugar a la dinámica de sistemas cuánticos abiertos, donde las características del entorno y la forma en que este se acopla al sistema determinan su comportamiento. El presente estudio, explora la dinámica controlada de un sistema cuántico coherente mediante la implementación de una técnica de aprendizaje automático que incorpora principios físicos en su proceso de entrenamiento, esta técnica conocida como PINN (Physics-Informed Neural Networks), permite predecir campos de control cuántico que guían la evolución del sistema hacia un estado cuántico objetivo. El propósito central de este trabajo es analizar el impacto de los procesos de decoherencia cuántica en la dinámica disipativa de un sistema de dos niveles tipo superconductor (transmón), asistido por un control coherente predicho por una Red Neuronal Informada por la Física (PINN). Inicialmente, la PINN se entrena para predecir un control óptimo que conduzca al sistema cuántico desde su estado excitado hasta su estado de mínima energía, dentro de un intervalo de tiempo finito en la dinámica cerrada. Posteriormente, se analiza la efectividad del sistema para alcanzar dicho estado objetivo, ante la influencia de los canales de desfase puro (pure dephasing) y amortiguación de amplitud (amplitude damping), tanto para el régimen Markoviano como en el no-Markoviano. Por tanto, en el análisis de la dinámica disipativa no-Markoviana, donde la interacción con el entorno es fuerte y los efectos de memoria desempeñan un papel crucial en la evolución del sistema, se incorporan tasas de disipación dependientes del tiempo para modelar la influencia de la temperatura y la intensidad de la fuerza de acoplamiento débil en la interacción sistema-entorno.
En esta tesis se estudia la dinámica de no equilibrio de sistemas cuánticos aislados de muchos cuerpos. El protocolo de no equilibrio estudiado es el de un quench cuántico, es decir, una perturbación abrupta al sistema que se produce al variar instantáneamente uno de los parámetros del Hamiltoniano. Estamos particularmente interesados en las escalas de tiempo y en los mecanismos de relajación de los sistemas cuánticos aislados. Para atacar este problema utilizamos una variedad de técnicas analíticas para indagar diversos modelos. En el Capítulo 2 utilizamos la bosonización en una dimensión para estudiar la relajación por dephasing (el mecanismo que domina a tiempos cortos) en un sistema de fermiones unidimensionales con interacciones de corto y largo alcance. En el Capítulo 3 investigamos la formación de estados metaestables de tiempos cortos (estados pretermalizados) como fruto de la evolución por dephasing en un sistema de fermiones en dos dimensiones usando bosonización multidimensional. En el Capítulo 4 deducimos ecuaciones de movimiento para funciones de correlación de pocos puntos en sistemas débilmente interactuantes utilizando el formalismo del operador proyección. En el Capítulo 5 utilizamos estas ecuaciones para analizar la dinámica de tiempos largos de un sistema unidimensional de fermiones cerca del punto integrable X X Z . En este Capítulo también estudiamos la dinámica de un sistema unidimensional de bosones usando la aproximación truncada de Wigner (TWA por sus siglas en inglés), una aproximación válida en el límite semiclásico. Los hallazgos de nuestro trabajo pueden enunciarse de manera suscinta: cuando los canales de relajación del sistema son escasos y para energías lo suficientemente bajas emergen estados metaestables entre el estado inicial y el estado final de la evolución. Éstos pueden tener vidas medias muy grandes y obturar completamente la observación del equilibrio térmico en simulaciones numéricas o en experimentos. Los estados metaestables surgen como resultado del dephasing entre ciertos modos cuasilibres del sistema. Además, tales estados estacionarios admiten una descripción estadística en términos de un ensamble de Gibbs generalizado que toma en cuenta todas las cantidades conservadas del modelo efectivo de tiempos cortos. A tiempos mayores las colisiones inelásticas llevan al equilibrio térmico final. En el Capítulo 6 se detallan las conclusiones de nuestro trabajo y diversas perspectivas abiertas.
En general, se sabe que una gran variedad de sistemas abiertos pueden ser\ndescritos como subsistemas en interacción con un sistema más grande, llamado\nambiente o entorno [1]-[4]. El entorno suele ser considerado un sistema\nmucho más grande, prácticamente imperturbable ante las interacciones con\nel sistema abierto, por lo cu al, es tomado como invariante en el tiempo. Esto\nconcentra el interés, exclusivamente, en la evolución del subsistema abierto\no también llamado reducido. El sistema total, suma del subsistema reducido\ny entorno, se considera que es un sistema aislado que sigue las reglas usuales\nde la mecánica cuántica, es decir, realiza una evolución unitaria que conserva\nla probabilidad. Sin embargo, la evoluci on del subsistema abierto, sin el entorno,\nya no es unitaria, porque al existir interacción con el otro subsistema\nse desarrollan efectos de dispersión e irreversibilidad. Cuando no hay una\ncorrelación inicial entre el subsistema, el entorno y sus interacciones se la\nconsidera débil y puede ser descrita en términos de los llamados semigrupos\ndinámicos cuánticos. Estos son mapeos de la evolución en el tiempo que\nencierran requerimientos físicos generales como: incremento en la entropía,\nla composición del tiempo(propiedad de los semigrupos) y positividad completa.\nLa descripción de sistemas abiertos originalmente fue desarrollada para sistemas\nópticos-cuánticos. Sin embargo, en este trabajo, nos serviremos de esta\nteoría para estudiar efectos de decoherencia, en el marco de partículas elementales.\nLas motivaciones originales para investigar en esta camino se deben a que esto podría ser una forma de observar posibles efectos de gravedad\ncuántica [5]-[16]. Gravedad cuántica postula la existencia de fenómenos no\nest andar, como agujeros negros virtuales, los cuales son agujeros negros que\nexistirán temporalmente como resultado de una fuctuación del espaciotiempo.Asimismo algunos trabajos postulan que también string theory podrá llevar a fenómenos parecidos [17] [18] [19]. En general, algunos artículos han tratado acerca de estas interacciones y el efecto de \\fricción" que sufrirán las cuál sea la dinámica \\microscópica" de la interacción se puede estimar la\nmagnitud de estos nuevos efectos utilizando la teoría de sistemas cuánticos\nabiertos.\nLas motivaciones acerca del uso de neutrinos para el estudio de efectos de decoherencia\nson: Primero, porque se estima que son muy peque~nos a energías\ninferiores a la masa de Planck. Por lo cu al, se considera imposible observarlos\nen partículas cargadas, porque antes de recorrer una distancia apreciable interaccionarán con el ambiente. Segundo, en el caso de la partículas neutras,\nse hizo un estudio sobre la posibilidad de medir decoherencia en neutrones\ny kaones, no obstante, la medición est a muy restringida por el tiempo de\nvida de estas partículas. Por lo que, los neutrinos son un caso especial, ya\nque, por un lado se tiene que son partículas neutras que atraviesan imperturbablemente\ngrandes distancias sin decaer ni interaccionar, mientras que\npor otro, debido a sus oscilaciones funcionan como interferómetros de gran\nescala, tal que, los posibles efectos de decoherencia pueden ser maximizados\nvolviéndolos medibles. En los últimos a~nos, se están realizando varios experimento\nde neutrinos, por lo que es una buena oportunidad para medir estos\nposibles efectos disipativos.\nEn este trabajo, vamos a establecer el Marco Teórico en el Capítulo 2, en\nel cu al, se expondrá el mecanismo de las oscilaciones de neutrinos inducida\npor la diferencia de masas y el formalismo de sistema cuánticos abiertos. En\nel Capítulo 3, se presenta la evolución de un sistema de neutrinos como un\nsistema abierto en interacción con un baño térmico, y usando los la teoría\nde sistema cuánticos abiertos se parametrizará los efectos de la interacción.\n3\nEn este análisis, no se considerará ningún dano en específico, sino que se\nrealizará un análisis fenomenológico sobre las probabilidades de oscilación.\nAdemás, a un siendo desconocida la forma microscópica de la interacción\nse tomará ciertas consideraciones generales, como exigir completa positividad,\npara obtener restricciones sobre los parámetros de decoherencia. Luego,\nusando las restricciones se considerarán ciertos escenarios de decoherencia,\ntanto dentro del modelo de dos sabores, como en el de tres neutrinos. Posteriormente,\nen el Capítulo 4, se realizará un análisis para ver si es posible\nobservar efectos de decoherencia en el experimento de MINOS. Además, se\ndiscutirá como modi car la decoherencia a la composici on del \nujo de neutrinos\nastrofísicos medidos en IceCube. Finalmente, en el Capítulo 5, se\npresenta un resumen de los resultados obtenidos y algunas conclusiones al\nrespecto. El anexo A muestra un breve resumen acerca de algunos aspectos\nbásicos de la mecánica cuántica.
Los sistemas cuanticos abiertos pueden observarse continuamente en el tiempo, esto
es, un aparato de medicion esta continuamente acoplado al sistema, esto es, el aparato
de medicion (de forma ideal) esta midiendo el sistema durante todo el intervalo de tiempo
de observacion. El proceso de medicion provee una senal estocastica clasica a partir
de la cual es posible inferir cual es el estado del sistema. Un ejemplo paradigmatico es
el caso de un sistema de dos niveles acoplado a un campo de radiacion laser externa
(sistema fluorescente) donde el aparato de medida es un detector de fotones. Recientemente,
se estudio la posibilidad de usar en la reconstruccion del estado del sistema,
no solo la informacion provista por la medicion a tiempos anteriores (prediccion), sino
tambien la senal posterior en el futuro (retrodiccion). El objetivo de este trabajo es
estudiar dicho problema para el caso en que la dinamica del sistema presenta efectos de
memoria (no-Markoviana). La dinamica efectiva corresponde a un sistema
fluorescente
acoplado a un reservorio dotados de distintos estados mesoscopicos cuya dinamica estoc
astica es clasica. Cada estado a su vez influencia la dinamica irreversible del sistema.
Demostramos que, aun cuando el aparato de medida solo provee informacion sobre la
dinamica cuantica, la pureza de los estados del bano y del sistema son incrementadas
usando la tecnica de retrodiccion.
Los efectos disipativos tienen profundas consecuencias en el comportamiento y las propiedades de los sistemas cuánticos [72]. La inevitable interacción con el entorno circundante, con el cual los sistemas intercambian continuamente información, energía, momento angular o materia, es la última responsable de los fenómenos de decoherencia y de la emergencia del comportamiento clásico [490, 614]. Sin embargo, existe un amplio régimen intermedio en el cual efectos disipativos y cuánticos coexisten, dando lugar a una amplia gama de ricos y sorprendentes fenómenos que apenas están empezando a ser comprendidos. Además, las innovadoras técnicas desarrolladas recientemente para controlar y manipular sistemas cuánticos en el laboratorio han hecho esta fenomenología accesible experimentalmente y potencialmente aplicable [244, 586]. En esta tesis exploraremos desde un punto de vista teórico algunas de las conexiones entre efectos disipativos y cuánticos en lo concerniente a dos principales aspectos: el comportamiento termodinámico de los sistemas cuánticos y la relación entre las correlaciones dinámicas y cuánticas compartidas por éstos. Las correlaciones cuánticas son una de las características más sorprendentes de la naturaleza y han atraído un notable interés desde la misma formulación de la teoría cuántica. La comprensión de los mecanismos subyacentes que generan, preservan, o destruyen estas correlaciones resulta de gran importancia a la hora de explorar la frontera cuántico-clásica [597], mientras que es esencial en el diseño de esquemas en los que la decoherencia pueda ser evitada en aplicaciones prácticas [35, 143, 562]. Por otra parte, otro tipo importante de correlaciones dinámicas de caracter más tradicionalmente clásico son los fenómenos de sincronización, que han sido estudiados en un amplio rango de sistemas físicos, químicos y biológicos [433]. La sincronización puede aparecer como un comportamiento espontáneo y cooperativo de diferentes unidades que oscilan y que, cuando se acoplan, adaptan sus ritmos a una frecuencia común. Este fenómeno de sincronización mutua ha sido considerado con profusión desde un punto de vista clásico [249, 263, 606], mientras que los rasgos genuinamente cuánticos de la sincronización estan empezando ahora a ser investigados...
En el presente trabajo se aborda un estudio general de la decoherencia cuántica, entendiendo por general que no se centra en el análisis de un modelo particular. El estudio de la decoherencia ha adquirido, recientemente, una gran importancia en la computación cuántica, donde el fenómeno de la decoherencia representa un gran obstáculo para implementación de hardware para procesamiento de la información. Por otro lado, la decoherencia juega un papel esencial en el límite clásico y en la emergencia del comportamiento clásico en sistemas cuánticos. Por este motivo la comprensión del fenómeno de la decoherencia y el desarrollo de formalismos matemáticos para estudiarla son esenciales. De acuerdo con los trabajos de Zurek et al., la decoherencia es un proceso que resulta de la interacción entre un sistema cuántico abierto y su ambiente (EID). Este proceso determina cuál es la base privilegiada, que define los observables que adquieren características clásicas y pueden interpretarse como propiedades que obedecen a la lógica booleana. Recientemente Castagnino et al señalaron la conveniencia de tomar en cuenta tres aspectos de la teoría: (i) la posibilidad de estudiar la decoherencia de sistemas cerrados (sin ambiente), (ii) el criterio para determinar cuál es el subsistema que decohere, y (iii) el cálculo de la base privilegiada móvil. Por otro lado, en la bibliografía se encuentran otros enfoques para describir tanto la decoherencia como la relajación de los sistemas cuánticos. Tal es el caso de los trabajos de Castagnino et al., según el cual la relajación es un proceso que resulta de la elección de los observables que tienen relevancia física en un sistema cerrado (SID), y que define los observables que adquieren características clásicas y pueden interpretarse como propiedades que obedecen a la lógica booleana. La existencia de ambos enfoques aporta puntos de vista distintos acerca de los fenómenos físicos de la decoherencia y de la relajación. En esta tesis se presenta una perspectiva basada en valores medios, que cambia el foco de interés del operador de estado a los valores medios. Dicha perspectiva da lugar a un esquema general que unifica los enfoques anteriores de decoherencia y relajación, sobre el cual se espera seguir trabajando para la incorporación de otros enfoques. Esta perspectiva, además, permite reconsiderar los tres aspectos señalados anteriormente: (i) incorpora el estudio de sistemas sin ambiente, (ii) explicita el carácter relativo de la decoherencia respecto de la elección de los observables relevantes y permite definir al "mundo" clásico emergente como un conjunto de observables, y (iii) provee caracterizaciones alternativas del tiempo de decoherencia y de la base privilegiada móvil. Por otro lado, se presentan aportes de naturaleza técnica sobre aspectos de la decoherencia, en particular se propone una técnica que permite calcular los tiempos de decoherencia y relajación a partir de la extensión analítica de funciones que dependen del Hamiltoniano.