En este trabajo se analiza la construcción y propiedades algebraicas de los operadores\nde ascenso y descenso asociados a la transformada de Fourier discreta N - dimensional.\nSe justifica la convergencia de estos y del operador hamiltoniano discreto a sus análogos\ncontinuos mediante esquemas asociados, se prueba la conmutatividad del operador\nde número asociado, así como la interpretación de los operadores discretos de ascenso\ny descenso como objetos formados por una componente circulante y una componente\ndiagonal del álgebra de grupo CH del grupo finito de Heisenberg sobre C, esto último\nmediante los operadores complementarios de Schwinger, de acuerdo con los procedimientos\nde Atakishiyeva y Atakishiyev.\nPalabras clave: Transformada Discreta de Fourier, esquema de discretización por\ndiferencias finitas, autovectores, Grupo de Heisenberg, operadores complementarios,\noperadores discretos de ascenso y descenso, álgebra de grupo, matrices circulantes.\n«Se hace la ciencia con hechos como una casa con piedras, pero una acumulación de\nhechos no es una ciencia, al igual que un montón de piedras no es una casa...»
En este trabajo se analiza la construcción y propiedades algebraicas de los operadores\nde ascenso y descenso asociados a la transformada de Fourier discreta N - dimensional.\nSe justifica la convergencia de estos y del operador hamiltoniano discreto a sus análogos\ncontinuos mediante esquemas asociados, se prueba la conmutatividad del operador\nde número asociado, así como la interpretación de los operadores discretos de ascenso\ny descenso como objetos formados por una componente circulante y una componente\ndiagonal del álgebra de grupo CH del grupo finito de Heisenberg sobre C, esto último\nmediante los operadores complementarios de Schwinger, de acuerdo con los procedimientos\nde Atakishiyeva y Atakishiyev.\nPalabras clave: Transformada Discreta de Fourier, esquema de discretización por\ndiferencias finitas, autovectores, Grupo de Heisenberg, operadores complementarios,\noperadores discretos de ascenso y descenso, álgebra de grupo, matrices circulantes.\n«Se hace la ciencia con hechos como una casa con piedras, pero una acumulación de\nhechos no es una ciencia, al igual que un montón de piedras no es una casa...»
Se formalizo la teoria de los estados coherentes y comprimidos del oscilador armonico mediante
los operadores de Weyl (relacionado con el grupo de Heisenberg – Weyl 1 ) y el
operador de compresion (relacionado con el grupo de Lie no compacto 2,1 ). Las
propiedades de estos estados de la optica cuantica se obtienen aplicando la mecanica cuantica y
la teoria de grupos, dando asi un tratamiento intermedio entre la optica cuantica y el formalismo
matematico de la teoria de grupos. Se encontro para estos grupos 1 y 2,1 una
representacion en terminos de los operadores de ascenso y descenso y del oscilador
armonico.
Se desarrollo un metodo, basado en la propiedad de traslacion del operador de Weyl y su
analogo para el operador de compresion , para calcular algunas de las propiedades de los
estados coherentes y comprimidos, verificandose que los estados coherentes son estados de
minima incertidumbre en el tiempo de acuerdo a la desigualdad de incertidumbre de Heisenberg,
y los estados comprimidos son de minima incertidumbre de acuerdo a la desigualdad
generalizada de Schrodinger.
Se calcularon las correlaciones cuanticas dependientes y no dependientes del tiempo de los
operadores no dependientes y dependientes del tiempo, de posicion y de momento de los
estados coherentes y comprimidos. Se demuestra que los estados coherentes no estan
correlacionados, mientras que los estados comprimidos si lo estan. Comparamos el producto de
las dispersiones dependientes y no dependientes del tiempo de los estados coherentes y de los
estados comprimidos. Se encontro que estos difieren en un termino adicional que aparece en los
estados comprimidos, el cual se atribuyo a la correlacion cuantica de estos.
Se generalizan los resultados obtenidos para los estados coherentes y comprimidos al estudiar los
estados coherentes y comprimidos del oscilador armonico, utilizando el metodo desarrollado en
el tratamiento de los estados coherentes y comprimidos. Se demuestra que los estados coherentes
y comprimidos de numero tambien son de minima incertidumbre en el tiempo, nuevamente de
acuerdo a las desigualdades de Heisenberg y Schrodinger, respectivamente.
La interpretación modal Hamiltoniana de la mecánica cuántica sostiene que los sistemas, en el ámbito de la realidad cuántica, son haces de propiedades posibles, sin sustancia subyacente. Las propiedades que se hacen actuales, es decir aquéllas que adquieren valor definido instante a instante, no pueden ser todas, ya que esto llevaría a inconsistencias, como lo muestra el Teorema de Kochen-Specker. Esto implica que debemos elegir un contexto de actualización, esto es, un subconjunto de todo el conjunto de propiedades posibles, cuyas propiedades adquieren valores definidos. En este sentido, la interpretación modal-Hamiltoniana elige como contexto de actualización la descomposición átomica del espacio de Hilbert en autosubespacios del Hamiltoniano y todas las composiciones de éstos. Esto permite explicar satifactoriamente varios problemas interpretativos de la mecánica cuántica: el problema de la medición, el problema de la contex- tualidad, el problema de la indistinguibilidad y el problema de la no-localidad, como también permite describir adecuadamente un conjunto de ejemplos físicos típicos de la práctica de la física. Durante el trabajo de esta tesis doctoral, se desarrolló una reformulación de la interpretación modal-Hamiltoniana de la mecánica cuántica. Para ello se aplicaron ideas de la teoría de grupos, con el fin de asegurar la invariancia del contexto de actualización ante el cambio de sistema de referencia. De modo natural, entonces, se definió el contexto de actualización como aquel identificado por los operadores de Casimir del grupo de simetría de la mecánica cuántica: el grupo de Galileo extendido centralmente. Posteriormente se estudió la posibilidad de extender estas ideas al ámbito de la teoría cuántica relativista, donde el grupo de simetría es el de Poincaré y algún otro grupo de simetría interna compacto. Finalmente, con el fin de asegurar que los observables con valores actuales en las teorías relativistas y no relativistas estuviesen correctamente relacionados a través de un límite adecuado, se empleó una contracción de Inönü-Wigner del grupo de Poincaré extendido trivialmente al grupo de Galileo extendido centralmente. De este modo, los operadores de Casimir de ambos grupos quedaron correctamente relacionados y se pudo definir la regla de actualización correspondiente al ámbito relativista
En esta Tesis se analizan diversos modelos de interes en optica cuantica, demostrando que sus simetrias dinamicas pueden expresarse en terminos de deformaciones polinomicas de algebras de Lie. Los generadores de estas algebras se interpretan como variables invariantes colectivas en terminos de las cuales se describe completamente la dinamica. Estas algebras no resuelven de forma inmediata el problema dinamico, pero permiten clasificar los subespacios invariantes bajo la evolucion de una manera similar a como se hace en la construccion de las representaciones irreducibles de su(2).
Es posible entonces definir operadores para la fase relative entre subsistemas debido a que en estos subespacios los operadores que representan las transiciones aparecen como un algebra de escalera de dimension finita y su descomposicion polar siempre admite soluciones unitarias.
La dimension finita de los subespacios invariantes lleva a que el espectro de la fase relativa es discreto, lo que no deja de ser sorprendente desde un punto de vista fisico. A partir de los autoestados correspondientes se obtiene la distribucion de probabilidad parala fase relativa de los modelos considerados y se analiza su evolucion temporal. Tambien se construyen las medidas positivas sobre algebras de operadores (POMs) generadas por estos autoestados.
Inspirados por el comportamiento de modelos lineales con simetria su(2), se analiza la ley de transformacion de los modelos considerados en esta Tesis bajo rotaciones generadas por las deformaciones polinomicas. Cuando la desintontia es grandes, el metodo permite describir el modelo original en terminos de un hamiltoniano efectivo diagonal. Esto nos lleva a estudiar el limite dispersivo de estos modelos, deduciendo algunas consecuencias dinamicas no triviales. Asimismo, se utiliza este metodo de pequenas rotaciones para el analisis sistematico de los efectos de relajacion en estos hamiltonianos
En este trabajo, se analiza una teoría que es en cierto modo una extensión natural del campo de las telecomunicaciones clásicas a la mecánica cuántica. Dicha teoría se llama tomografía cuántica y es de hecho una imagen de la mecánica cuántica equivalente a las más habituales que son la imagen de Schrödinger o la de Heisenberg. Esta nueva imagen, difiere de las precedentes en que está muy ligada a la capacidad tecnológica a la hora de medir observables (momento, energía, etc.) en el campo de la óptica cuántica, ya que su objetivo primordial es el de conseguir reconstruir el estado de un sistema cuántico a partir de mediciones en el laboratorio, y dado al avance tecnológico del instrumental de laboratorio disponible como láseres y fotodetectores, cada vez está suscitando mayor interés. En el primer capítulo, veremos cómo nace esta idea de reconstruir estados cuánticos discutiendo brevemente la técnica clásica conocida como Tomografía Axial Computerizada (TAC). Esta técnica está basada en los trabajos de Johann Karl August Radon aplicando la transformada que lleva su nombre. Introduciremos la transformada de Radon de una función de probabilidad definida en el espacio de fases para ver cómo se aplica en el caso del TAC. Para aplicar esta idea para la reconstrucción de estados cuánticos, veremos, en primer lugar, que existe una extensión natural de las técnicas de demodulación de señales moduladas en amplitud (AM) en el campo de la óptica cuántica mostrando que el papel que cumple un mezclador puede ser reemplazado por una combinación de divisores de haz y fotodetectores y mostraremos explícitamente cómo reconstruir el operador densidad que describe un estado cuántico a través de un proceso reminiscente de la transformada de Radon clásica. El segundo capítulo será el corazón de este trabajo. En él, introduciremos de manera formal la descripción tomográfica de la mecánica cuántica. Presentaremos una teoría general, para ello, trataremos a los observables como elementos de un álgebra C_ y los estados serán funcionales lineales positivos que actúen en dicha algebra. Veremos que esta descripción de la mecánica cuántica puede dividirse en dos partes, una primera con el objetivo de obtener una fórmula para reconstruir el estado de un sistema cuántico a partir de una función definida sobre un conjunto llamado conjunto tomográfico, que será un conjunto de observables que tendrá que cumplir una serie de condiciones que expondremos debidamente. A esta primera parte de la teoría, la bautizaremos como Teoría de muestreo generalizada en sistemas cuánticos. La segunda parte estará relacionada con la parte puramente experimental. Lo que hace necesario tener que añadir esta segunda parte es el hecho de que la función definida anteriormente sobre el conjunto tomográfico, que llamaremos función de muestreo, en general, no puede ser medida por medio de los dispositivos con los que contamos en un laboratorio de óptica cuántica, sin embargo, a partir de las mediciones hechas con un fotodetector, podemos obtener distribuciones de probabilidad de cantidades relacionadas con los observables. Entonces, tomando esto último como motivación, esta segunda parte de la teoría consistirá en relacionar esa función de muestreo con una distribución de probabilidad que llamaremos tomograma, que será el resultado directo de un proceso de medida en el laboratorio, y la llamaremos Transformada generalizada positiva por motivos que se expondrán convenientemente. Uno de los problemas más sutiles de esta teoría consiste en hallar un conjunto tomográfico que cumpla las condiciones necesarias para permitir reconstruir el estado a partir de él. Sin embargo, veremos que de manera natural, las representaciones unitarias irreducibles de un grupo finito o de Lie compacto proporcionan conjuntos tomográficos que cumplen las condiciones requeridas, por eso, nos centraremos en el estudio de la reconstrucción de estados a partir de grupos relacionados con el sistema físico dado. Aunque también destacaremos que existen otras representaciones unitarias que nos permiten reconstruir el estado cuántico a partir de ellas, como lo es la representación unitaria irreducible del grupo de Heisenberg Weyl dada por el álgebra de Lie que forman los operadores momento y posición cuánticos que es el ejemplo con el que nace la tomografía cuántica introducido en el primer capítulo. En el tercer capítulo presentaremos un algoritmo numérico que se deriva a partir de unos estados que llamaremos estados adaptados que habremos definido en el capítulo anterior. Este algoritmo nace como un problema inverso, ya que hasta entonces nos habremos centrado en reconstruir estados a partir de un conjunto tomográfico, en especial, cuando el conjunto tomográfico está definido a partir de una representación unitaria de un grupo. Este problema inverso consiste en determinar qué información es posible obtener de una representación unitaria de un grupo si se tiene una familia de estados que describe un sistema físico relacionado con un grupo de simetría. La respuesta a esta pregunta es muy satisfactoria ya que es posible conocer la matriz de transformación de base que nos permita transformar la base, en la que está descrita la representación unitaria, en una base adaptada a los subespacios invariantes bajo la acción de todos los elementos de la representación. Este problema se conoce como descomposición de Clebsh Gordan, ya que dicha transformación aplicada a la representación unitaria la convierte en una matriz diagonal por bloques en la que cada bloque corresponde a una representación unitaria irreducible. La manera en la que resolveremos este problema es con un algoritmo numérico que sólo requiere dos estados adaptados como argumentos de entrada, que pueden ser obtenidos de manera directa si se conoce de forma explícita la representación unitaria que queremos reducir. Este algoritmo lo hemos bautizado con el nombre de SMILY. Hay que destacar que como este algoritmo se ha generado sólo aplicando ciertas transformaciones unitarias sobre matrices que representan un estado cuántico, tiene una extensión natural que podría implementarse en un ordenador cuántico. Para acabar esta tesis, generalizaremos la descripción tomográfica a campos clásicos y cuánticos. Para el caso clásico, primero realizaremos una descripción tomográfico para sistemas con finitos grados de libertad y obtendremos el equivalente tomográfico de la ecuación de Liouville para una densidad de probabilidad y tras esto, haremos el mismo análisis para sistemas con infinitos grados de libertad. Para obtener la descripción tomográfica para campos cuánticos, partiremos del concepto de segunda cuantización y mostraremos el equivalente tomográfico de los axiomas de Wightman Streater para una teoría cuántica de campos. Y para terminar, obtendremos un teorema de reconstrucción para campos escalares y calcularemos el tomograma de ciertos estados de un campo cuántico escalar libre. Comentemos esto último diciendo que es el inicio de una teoría que permitirá una descripción tomográfica de estados, por ejemplo ligados, para teorías con interacción. Para concluir este resumen, quisiera resaltar que el lector especializado, si lo considera conveniente, puede comenzar a leer a partir del segundo capítulo, ya que aunque el primer capítulo sirve como motivación de porqué desarrollar una descripción tomográfica de la mecánica cuántica, el texto puede comprenderse si previamente no se ha leído.
Resumen.En estas notas se exponen con detalle y de manera autocontenida las herramientas básicas de la teoría de los espacios de Hilbert complejos de dimensión infinita, que son necesarias para un primer estudio, matemáticamente riguroso, de la mecánica cuántica.En la última parte incluimos una introducción axiomática a la mecánica cuántica y una breve exposición del modelo del oscilador armónico y de la teoría de estados cuánticos Gaussianos. IntroducciónLa mecánica cuántica es la rama de la física que estudia los fenómenos físicos que ocurren en escalas de longitudes muy pequeñas.El calificativo "cuántico" surge de, en contraste con la mecánica clásica, considerar algunas cantidades que toman solamente valores discretos i.e., en "paquetes" o quantum-quanta en latín.Aún cuando hay muchas nociones de la mecánica cuántica que aún suscitan controversia, esta teoría se aplica exitosamente para describir el comportamiento de sistema físicos y sus predicciones son consistentes con los experimentos.Los sistemas físicos que estudia la mecánica cuántica, exhiben propiedades ondulatorias que se pueden describir mediante una ecuación de onda, por ejemplo, la bien conocida "ecuación de Schrödinger", que describe la evolución temporal de una partícula subatómica con masa, en el contexto no relativista.En estas notas trabajamos con el formalismo de matrices de densidad, que permite describir estados que son mezclas de estados puros.En consecuencia, este enfoque resulta ser una herramienta poderosa para describir sistemas cuánticos más generales, por ejemplo, acoplamientos (ensambles) de muchos sistemas cuánticos idénticos.El material que se presenta en este trabajo está dividido en cuatro secciones compuestas de la siguiente manera: la sección 1 contiene una selección de resultados de índole geométrico y analítico de la teoría de espacios de Hilbert: ortogonalidad y descomposición ortogonal, convexidad, operadores lineales, norma de operadores y funcionales lineales.La sección 2 se concentra en la clase de los operadores compactos, particularmente en los operadores de la clase de traza y de manera especial, en los operadores de Hilbert-Schmidt.Es relevante mencionar que los estados cuánticos se representan mediante operadores positivos de traza uno.La sección 3 se dedica al estudio de operadores no acotados que pueden no estar densamente definidos en un espacio de Hilbert.Abordamos también el estudio de operadores cerrados y cerrables, el adjunto de un operador y una introducción a la teoría espectral de operadores.Una parte esencial de esta sección son los operadores simétricos e isométricos, los cuales exhiben similitudes en sus propiedades geométricas y espectrales.Cabe señalar que las observables físicas se representan por operadores simétricos típicamente no acotados.Por último, en la sección 4 se discuten brevemente postulados de la mecánica cuántica en el marco del formalismo de matrices de densidad, se revisa el modelo del oscilador armónico cuántico y se ofrece una introducción a los estados cuánticos Gaussianos.Al final de cada sección incluimos una selección de problemas que sirven para complementar estas notas.El lector interesado puede profundizar en el estudio de resultados aquí expuestos, desde los más básicos hasta los más avanzados, en la literatura clásica de operadores lineales, por ejemplo en [1,2,3,4,13,20].
En esta Tesis se desarrollan metodologías para determinar y analizar en profundidad el fenómeno de factorización exacta de autoestados de Hamiltonianos de sistemas cuánticos de muchos cuerpos fuertemente interactuantes. Esta factorización comprende tanto el caso de autoestados que son producto de estados de componentes primarios, como aquél en el que son producto de estados de pares (dimerización) o grupos de componentes (clústers). El tema es relevante en varias áreas de gran interés actual. En primer lugar se derivan condiciones necesarias y suficientes generales para que un Hamiltoniano de un sistema interactuante posea un autoestado exacto factorizado, expresadas en forma de ecuaciones de autovalores especiales. El formalismo es aplicado a un sistema de interacción general de N componentes, cada uno con n niveles accesibles localmente, de modo que el Hamiltoniano puede expresarse en términos de operadores que satisfacen un álgebra U(n). Para n=2, es equivalente a un sistema de espines 1/2 con acoplamientos tipo XYZ en un campo magnético. Se determinan puntos de factorización, mostrando que corresponden a un punto de degeneración excepcional, y se examinan las propiedades críticas del entrelazamiento en su entorno. Posteriormente, se muestra que las condiciones de factorización pueden expresarse en términos de la matriz de covarianza cuántica de los operadores locales que componen el Hamiltoniano. El formalismo requiere solo valores medios locales y resulta adecuado para sistemas y factorizaciones generales. Pone de manifiesto el rol esencial de la existencia de operadores locales conservados para una separabilidad exacta, ya sea total o parcial. El método permite derivar las condiciones para la existencia de diversos tipos de factorización exacta de autoestados en sistemas de espines interactuantes. En particular, se derivan las condiciones más generales para la factorización en dímeros y clústers de espín 0, solo conocidas en algunos casos especiales. Luego se extienden los resultados a dimerización exacta en singletes generalizados, que son estados de pares que no están máximamente entrelazados, con propiedades únicas en relación a operadores conservados. Se muestra que permiten la dimerización exacta inducida por campo en sistemas anisotrópicos XYZ para espín arbitrario. Se brindan ejemplos específicos, incluyendo la extensión a campo magnético no nulo del modelo de Majumdar-Ghosh. Finalmente, se examina la factorización en sistemas de componentes indistinguibles. Siguiendo el esquema basado en operadores conservados, se caracterizaron los estados llamados condensados de pares, tanto fermiónicos como bosónicos, que pueden considerarse "uniformemente separables'' a nivel de par. Se muestra que están completamente caracterizados por un número fijo de operadores de un cuerpo exactamente conservados. A partir de este resultado se obtiene el Hamiltoniano de dos cuerpos más general que posee el condensado de pares como autoestado exacto, junto con una clase que lo tiene como estado fundamental no degenerado. Mediante el formalismo anterior se determina también una condición necesaria y suficiente para asegurar que un estado dado sea un condensado de par exacto, que permite además su reconstrucción exacta. Proporciona también una medida simple de la proximidad de un estado dado a un condensado de par, junto con una "mejor'' aproximación de condensado de par al estado. Se muestran resultados ilustrativos.