[Resumo] A incerteza é un dos obstáculos cardinais cando se traballa con intelixencia artificial - é dicir, a información xestionada pode ser incompleta, incorrecta ou imprecisa. É particularmente un dos temas máis esenciais e relacionados cos sistemas baseados en regras. Aínda que a estatística foi historicamente o principal formalismo para representar a ambigüidade, existen métodos numéricos alternativos para cuantificalo (por exemplo, conxuntos difusos ou funcións de crenza). A incerteza asociada a unha hipótese pódese considerar consecuencia da propagación da imprecisión a través das distintas lóxicas inferenciais dun sistema. Tendo en conta isto, é posible modelar a ambigüidade? propón unha solución a este problema. O obxectivo principal deste traballo é reunir e avaliar a fondo un sistema cuántico baseado en regras que funciona de xeito análogo ao seu predecesor convencional. Este novo sistema trata a incerteza como un efecto positivo do carácter probabilístico inherente da mecánica cuántica. Trátase dun traballo de AI que usa técnicas de computación cuántica para resolver o problema de incerteza nos sistemas baseados en regras.
[Resumo] A incerteza é un dos obstáculos cardinais cando se traballa con intelixencia artificial - é dicir, a información xestionada pode ser incompleta, incorrecta ou imprecisa. É particularmente un dos temas máis esenciais e relacionados cos sistemas baseados en regras. Aínda que a estatística foi historicamente o principal formalismo para representar a ambigüidade, existen métodos numéricos alternativos para cuantificalo (por exemplo, conxuntos difusos ou funcións de crenza). A incerteza asociada a unha hipótese pódese considerar consecuencia da propagación da imprecisión a través das distintas lóxicas inferenciais dun sistema. Tendo en conta isto, é posible modelar a ambigüidade? propón unha solución a este problema. O obxectivo principal deste traballo é reunir e avaliar a fondo un sistema cuántico baseado en regras que funciona de xeito análogo ao seu predecesor convencional. Este novo sistema trata a incerteza como un efecto positivo do carácter probabilístico inherente da mecánica cuántica. Trátase dun traballo de AI que usa técnicas de computación cuántica para resolver o problema de incerteza nos sistemas baseados en regras.
espanolLos sistemas cuanticos de muchos cuerpos ofrecen numerosos retos para diversos campos de la fisica y las matematicas, como la materia condensada, la teoria de la informacion cuantica, la teoria de operadores o el analisis numerico. Algunos de estos problemas surgen de la gran complejidad de estos sistemas, que dificulta su estudio mediante metodos clasicos, asi como del interes de la comunidad cientifica por comprender sus propiedades fisicas, tales como la dinamica, estructura de correlaciones o comportamiento tanto dentro como fuera del equilibrio. Entre las propiedades mas interesantes de estos sistemas se encuentra el entrelazamiento, un cierto tipo de correlacion cuantica que carece de analogo en sistemas clasicos y que se ha establecido como un recurso imprescindible en los campos de la informacion y computacion cuantica. La presente tesis doctoral profundiza en el estudio de correlaciones, localidad y entrelazamiento en sistemas cuanticos. En particular, se enfoca en herramientas matematicas como redes de tensores, cotas de Lieb Robinson y algoritmos cuanticos, para obtener resultados originales, tanto analiticos como numericos, de aplicacion directa en teoria de la informacion cuantica, materia condensada y metrologia cuantica. Los sistemas cuanticos que estudiamos consisten en conjuntos de particulas que interaccionan localmente unas con otras. La localidad de estos sistemas permite establecer una cota superior finita a la velocidad de propagacion de las excitaciones, tambien conocida como cota de Lieb Robinson. En esta tesis, demostramos que existen cotas de Lieb Robinson para modelos de espines que interaccionan en una red mediante un campo bosonico que tambien verifica una cota de Lieb Robinson en ausencia de acoplamiento espin boson. Aplicando estas cotas a sistemas de iones atrapados, observamos que la propagacion de las correlaciones de espin mediante los fonones de un cristal ionico puede ser mas rapida que el regimen explorado actualmente en los experimentos. Por este motivo, proponemos un esquema experimental para probar las cotas que consiste en medir las funciones de correlacion retardadas a traves de la fluorescencia del cristal. La localidad de las interacciones tambien impone restricciones sobre la estructura del entrelazamiento de los sistemas cuanticos y permite encontrar representaciones matematicas eficientes denominadas redes de tensores. Las redes de tensores son conjuntos de tensores interconectados que reflejan la estructura de entrelazamiento del sistema, reducen la complejidad de su representacion y capturan las propiedades fisicas mas relevantes de los estados cuanticos en los que estamos interesados. En esta tesis, utilizamos el caso unidimensional de las redes de tensores, tambien conocido como estados producto de matriz (MPS), para probar resultados analiticos y realizar simulaciones numericas. Mas especificamente, demostramos que una gran fraccionalizacion en la magnetizacion de una cadena de espines o la existencia de interacciones de largo alcance implican una gran cantidad de entrelazamiento en el estado de la cadena. Las correlaciones y el entrelazamiento se han revelado como recursos de gran utilidad en metrologia cuantica, estableciendo nuevas tecnicas de medida que mejoran la precision respecto a los metodos exclusivamente clasicos. En esta tesis, establecemos algoritmos cuanticos para medir las correlaciones temporales que se acumulan en un sistema cuantico tras su interaccion con pulsos de luz laser. A partir de esta nocion, introducimos el concepto de interferometria cuantica multipulso en el que un atomo o conjunto de atomos pueden actuar como un detector que mide de forma precisa diferencias entre pulsos de luz laser o propiedades de los pulsos. Por ultimo, aplicamos este concepto para caracterizar y estabilizar un peine de frecuencias con una mejora polinomial en la sensibilidad respecto a protocolos clasicos. EnglishThe study of quantum many-body systems poses a wide range of complex problemsin dierent areas of physics and mathematics, such as condensed matter,quantum information theory, operator theory or numerical analysis. Some ofthese problems arise due to the high complexity of these systems, which makestheir study unfeasible using classical approaches, as well as from the ever-growinginterest in understanding their dynamics, physical properties and behaviour bothin and out of equilibrium. Among the most interesting properties of these systemslies entanglement, a certain type of quantum correlation which is not present inclassical systems and which has proven to be essential for quantum computationand quantum information.This dissertation deals with the study of correlations, locality and entanglementin quantum systems. It relies on mathematical tools such as tensor networkrepresentations, Lieb-Robinson bounds and quantum algorithms in order to obtainoriginal results, both analytical and numerical, with practical applicationsto quantum information theory, condensed matter and quantum metrology...
En esta tesis se consideran problemas matematicos relacionados con dos de los fenomenos mas caracteristicos y significativos de la Mecanica Cuantica: el principio de incertidumbre de Heisenberg y el entrelazamiento. El hilo conductor lo constituyen las medidas matematicas de la incertidumbre asociada a distribuciones de probabilidad, que por un lado son indispensables para formular matematicamente este principio y cuantificar la incertidumbre asociada a los distintos sistemas cuanticos y por otro lado proporcionan una herramienta util para la caracterizacion del escurridizo fenomeno del entrelazamiento, paradigma central tanto dentro de los fundamentos de la Mecanica Cuantica como en las sorprendentes aplicaciones de la Teoria de la Informacion Cuantica. En esta memoria los dos primeros capitulos se han escrito a modo de introduccion y los siguientes contienen nuestras aportaciones originales a estos problemas. En el primer capitulo presentamos como se construyen de una forma rigurosa desde un punto de vista matematico medidas de la incertidumbre y mostramos como la entropia de Shannon ocupa un lugar preferente entre ellas. En el segundo, despues de introducir los postulados y la estructura matematica basica de la Mecanica Cuantica, analizamos en detalle el principio de incertidumbre y repasamos las distintas relaciones de incertidumbre desarrolladas hasta la fecha, asi como las argumentaciones que hacen a las relaciones de incertidumbre entropicas la formulacion mas rigurosa del principio. En este capitulo se analizara tambien el fenomeno del entrelazamiento, su significado y relevancia. Aunque el problema de su caracterizacion sigue abierto (problema de la separabilidad), se presentaran los criterios previos mas relevantes para su identificacion y se mostrara que las relaciones de incertidumbre juegan un papel util en esta tarea. Por ultimo, se dara una brevisima introduccion a la teoria de las medidas de entrelazamiento y su conexion con las medidas de incertidumbre. En el capitulo 3 se abordara el problema del calculo de entropias de polinomios ortogonales, directamente relacionado con la expresion de la incertidumbre en sistemas atomicos y moleculares; se utilizaran principalmente tecnicas analiticas, en particular de la teoria de funciones especiales. El capitulo 4 se relaciona con la derivacion de desigualdades optimas para la formulacion de relaciones de incertidumbre entropicas, apoyandonos sobre todo en tecnicas de optimizacion. A continuacion nos centraremos en el entrelazamiento y el problema de la separabilidad, para lo que principalmente utilizaremos algebra lineal y analisis matricial. En el capitulo 5 se estudiara este problema utilizando una formulacion particular del principio de incertidumbre. En el capitulo 6, motivados por la estructura interna de las condiciones de separabilidad expresadas a traves de relaciones de incertidumbre, obtendremos condiciones para la presencia de entrelazamiento a traves de medidas de la correlacion. Por ultimo, en el capitulo 7 estudiaremos como utilizar las condiciones del apartado anterior y las basadas en relaciones de incertidumbre para poder obtener informacion no solo cualitativa sino tambien cuantitativa acerca del entrelazamiento.
Las aproximaciones autoconsistentes de campo medio constituyen una de las más importantes herramientas teóricas para tratar el problema cuántico de muchos cuerpos, proporcionando una descripción y un punto de partida apropiados para desarrollos más complejos. Dentro de este contexto, el objetivo de esta tesis es extender y analizar las teorías cuánticas de campo medio, tanto estáticas como dinámicas, en base a consideraciones de carácter estadístico, situándolas de este modo dentro de un marco más amplio y flexible que el usual. La idea central que nos anima es la de basar la descripción de un sistema en un conjunto particular de observables, considerados relevantes para el fenómeno en estudio. Este modo de descripción es impulsado por la complejidad del problema cuántico de muchos cuerpos, y además, en ciertos casos por la necesidad de preservar solo la información significativa acerca del sistema. De este modo, se enfoca la atención sobre un subconjunto de variables, descartando las muchas otras restantes por medio de un adecuado esquema aproximado. Las teorías usuales de campo medio constituyen aquel caso especial de nuestro tratamiento en el que el conjunto de observables relevantes se encuentra formado por operadores de un cuerpo. A tales efectos, se desarrolla un formalismo general apropiado que permite abordar este tipo de extensión. Se examinan en profundidad diversos tipos de situaciones específicas, abarcando situaciones de equilibrio (Cap. I-IV), como así también problemas dependientes del tiempo (Cap. V-VI).
Este trabalho propoe um estudo da incerteza integrando conceitos da teoria dos conjuntos fuzzy e da computac ao quantica. Enquanto a logica fuzzy busca obter uma forma de representar a incerteza e a imprecisao dos sistemas reais dentro da teoria dos conjuntos fuzzy, a computac ao quantica busca a modelagem de algoritmos quanticos considerando o principio da incerteza de Heisenberg, afirmando que o pares de variaveis conjugadas nao podem ambos ser conhecidos com precisao arbitraria, e incluindo a descric ao da informac ao em operac oes de medidas, na ocorrencia do fenomeno da interferencia, no emaranhamento e na superposic ao de estados quanticos. Na sua fundamentac ao, consideram-se os correspondentes conceitos e diferentes aspectos, mas sobretudo as muitas similaridades relacionadas ao tratamento da incerteza entre estas areas. Assim, a computac ao quantica estuda o mundo real atraves da modelagem computacional dos aspectos fisicos, e a logica fuzzy descreve a incerteza desse mundo pelo raciocinio dos sistemas especialistas. Alem disso, enquanto a computac ao quantica esta baseada na logica quantica e se fundamenta na teoria da Mecanica Quantica, a logica fuzzy trata da incerteza com base na teoria dos conjuntos fuzzy. Este trabalho contribui para a compreensao e integrac ao destas areas, considerando que o processamento quantico da informac ao a partir da especificac ao de sistemas especialistas, pode contribuir para melhoria de sistemas computacionais e o desenvolvimento de novas tecnologias de informac ao. Um sistema computacional baseado na logica fuzzy em um computador quantico deve ser capaz de gerar uma saida, a partir da manipulac ao de uma entrada de dados imprecisos, pela aplicac ao de um sistema baseada em regras. Os estados sao registradores quanticos, e as regras para os processos de fuzzificac ao aplicam os operadores de transformac oes unitarias. A principal contribuic ao deste trabalho e mostrar que a computac ao quantica pode ser usada para estender a classe dos conjuntos fuzzy. A ideia central e ver os estados de um registrador quantico definidos a partir de func oes de pertinencias de subconjuntos fuzzy. Como o intervalo unitario de numeros reais esta inserido na esfera de Bloch, cada ponto esta associado a um conjunto fuzzy quantico. No entanto, um conjunto generico quantico pode ser visto como uma superposic ao de muitos conjuntos fuzzy, gerando novos conjuntos fuzzy com diferentes formas, simultaneamente. Neste contexto, estes conjuntos sao apresentados como extensao das suas correspondentes propriedades quanticas oferecendo novas oportunidades para a modelagem de incertezas. Alem disso, apresenta-se uma analise dos principais operadores sobre conjuntos fuzzy quanticos incluindo descric ao, exemplificac ao e uso de propriedades algebricas%%%%This paper proposes a study of the uncertainty integrating concepts of fuzzy set theory and quantum computing. While fuzzy logic searches for a way to represent uncertainty and imprecision of real systems into the fuzzy set theory,…
Esta tese explora as interseções entre Aprendizado de Máquina e Informação Quântica, investigando como ferramentas de inteligência artificial podem ser aplicadas para resolver problemas fundamentais em sistemas quânticos complexos. O trabalho foca em dois desafios principais: a classificação de fases quânticas e a predição de sincronização quântica. Na classificação de fases quânticas, apresentamos três abordagens complementares. A primeira explora a independência de modelo, demonstrando como é possível treinar um classificador em dados provenientes de um modelo de Hamiltoniano e utilizá-lo para classificar fases em um modelo distinto. A segunda abordagem emprega algoritmos de Aprendizado de Máquina Quântico (QML) com seleção de atributos baseada na técnica SHAP (Shapley Additive Explanations), otimizando a escolha de features relevantes para melhorar a precisão dos classificadores. Por fim, introduzimos o uso de redes generativas adversárias (GANs) para criar dados sintéticos, permitindo ampliar e diversificar os conjuntos de dados e, assim, aumentar a eficiência e a precisão das classificações. No segundo desafio, a predição de sincronização quântica, aplicamos um algoritmo de aprendizado supervisionado para prever a ocorrência de sincronização ou antissincronização em sistemas quânticos. Baseando-nos em dados iniciais da evolução temporal do sistema, demonstramos como identificar padrões que indicam a dinâmica futura desses fenômenos com alta confiabilidade. Esta tese contribui apresentando soluções inovadoras e um conjunto abrangente de ferramentas que conectam inteligência artificial à compreensão de sistemas quânticos. Os resultados obtidos oferecem insights valiosos para a compreensão e manipulação desses sistemas.
O obxectivo global desta tese é contribuir ao deseño de novos sistemas de \ncriptografía cuántica e ao desenvolvemento de dispositivos fotónicos discretos e integrados que implementen \noperacións específicas para implementalos usando multiplexación espacial. Deste xeito, na tese propoñense novos \nmetodos de encriptación cuántica autocompensada, que fan uso dos modos espaciais propagados por diversas \nfibras ópticas (fibras de poucos modos e multinúcleo) para conseguir transmitir información en alta dimensión, \ncorrexindo tódalas fluctuacións que estes sofren ao longo da transmisión pola fibra. Ao mesmo tempo, deseñanse \nos distintos dispositivos fotónicos necesarios para implementar ditos métodos, baseados tanto en elementos \nópticos discretos como en dispositivos integrados. En particular, na tese presentanse novos dispositivos para xerar \nestados cuánticos útiles en criptografía (baseados en estados vórtice), así como proxectores cuánticos capaces de \nmedir ditos estados. Ademáis, na tese demóstrase a viabilidade de fabricar ditos dispositivos de xeito integrado por \nmedio de intercambio iónico en vidrio.