In this MSc thesis, the usage of Feynman’s Path Integrals formalism is presented for quantum systems time evolution by calculating the appropriate propagator. Furthermore, the time evolution of the Open Quantum Systems with the usage of the Feynman – Vernon Influenced Functional Method as application of the path integral formalism is presented. Also, the Hamiltonian of the Caldeira – Leggett Model is presented and the system’s equation of the motion is derived.
In this MSc thesis, the usage of Feynman’s Path Integrals formalism is presented for quantum systems time evolution by calculating the appropriate propagator. Furthermore, the time evolution of the Open Quantum Systems with the usage of the Feynman – Vernon Influenced Functional Method as application of the path integral formalism is presented. Also, the Hamiltonian of the Caldeira – Leggett Model is presented and the system’s equation of the motion is derived.
Οι συνήθεις διατυπώσεις της Κβαντικής Μηχανικής που αναπτύχθηκαν σχεδόν ταυτόχρονα από τους Erwin Schrӧdinger (εξίσωση Schrӧdinger), Werner Heisenberg (Μηχανική των Πινάκων) και άλλους κατά τη δεκαετία του 1920, φαίνεται να είναι ισοδύναμες με μια άλλη πιο πρόσφατη. Το 1933, ο Paul Dirac παρατήρησε ότι η Δράση διαδραματίζει έναν κεντρικό όλο στην Κλασική Μηχανική (θεώρησε ότι η διατύπωση της Κλασικής Μηχανικής με μία Λαγκρανζιανή είναι πιο θεμελιώδης από την αντίστοιχη με μία Χαμιλτονιανή), ενώ φάνηκε να μην παίζει κανένα σημαντικό ρόλο στην Κβαντομηχανική, όπως ήταν μέχρι τότε γνωστή. Σκέφτηκε για το πώς αυτή η κατάσταση θα μπορούσε να διορθωθεί και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι (σε μια μοντέρνα έκφραση) ο διαδότης στην Κβαντική Μηχανική «αντιστοιχεί» σε μια φάση, η οποία εξαρτάται από την Κλασική Δράση που υπολογίζεται κατά μήκος της κλασικής τροχιάς. Το 1948, ο Richard Feynman ανέπτυξε την πρόταση του Dirac και κατόρθωσε να παράξει μία τρίτη διατύπωση της Κβαντομηχανικής, με βάση το γεγονός ότι ο διαδότης μπορεί να γραφεί σαν ένα άθροισμα ως προς όλους τους δυνατούς δρόμους (όχι μόνο του κλασικού) μεταξύ των αρχικών και των τελικών καταστάσεων. Κάθε δρόμος (path) συνεισφέρει στο διαδότη και μία φάση που εξαρτάται από τη Δράση του. Έτσι, ενώ ο Dirac θεώρησε μόνον τον κλασικό δρόμο, ο Feynman έδειξε ότι όλοι οι δρόμοι συνεισφέρουν: κατά μία έννοια, το κβαντικό σωματίδιο λαμβάνει όλους τους δρόμους μεταξύ αρχικής και τελικής θέσης και τα αντίστοιχα πλάτη για κάθε δρόμο προστίθενται σύμφωνα με τον κανόνα του συνδυασμού πλατών της συνήθους Κβαντομηχανικής. Ο νέος αυτός ισοδύναμος φορμαλισμός ονομάζεται φορμαλισμός των Ολοκληρωμάτων Δρόμου (Path Integrals), ο οποίος παρουσιάζεται και μελετάται στην παρούσα εργασία. Παρουσιάζονται, επίσης, δύο μέθοδοι επίλυσης ολοκληρωμάτων δρόμου (Συναρτησιακή και Ευκλείδεια), καθώς γίνεται αναφορά στη θεωρία διαταραχών και σε προκύπτουσες εκφράσεις συναρτήσεων Green στην Κβαντομηχανική (αρμονικός και αναρμονικός ταλαντωτής) και στην Κβαντική Θεωρία Πεδίου (ελεύθερο και αλληλεπιδρών βαθμωτό πεδίο). Για τον υπολογισμό κάθε ενδιαφέρουσας φυσικής ποσότητας (συνάρτηση συσχέτισης/Green ή επιμεριστική συνάρτηση) , το πρώτο βήμα εναπόκειται στον υπολογισμό ενός Γκαουσιανού ολοκληρώματος και το δεύτερο αποτελεί, βασικά, ένα πρόβλημα συνδυαστικής, η λύση του οποίου έχει μια βολική διαγραμματική αναπαράσταση: τα διαγράμματα Feynman. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι ο υπολογισμός ολοκληρωμάτων δρόμου με τη μέθοδο Metropolis-Monte Carlo. Συγκεκριμένα υπολογίζεται αριθμητικά-στοχαστικά η πυκνότητα πιθανότητας της βασικής κατάστασης, όπως αυτή προκύπτει στο φορμαλισμό των ολοκληρωμάτων δρόμου και η αναλυτική έκφραση της οποίας είναι γνωστή από τη συνήθη θεωρία του Schrӧdinger, για τα δυναμικά (στην απλούστερη περίπτωση της μίας διάστασης): (1) αρμονικός ταλαντωτής και (2) πηγάδι (φρέαρ) απείρου βάθους.
This Chapter introduces the Feynman Path Integral description of quantum transition amplitudes, considering the simplest case of a quantum system described by one quantum variable q and its conjugate momentum p . The transition amplitude from time https://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> t 1 to time https://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> t 2 = t 1 + T is obtained by discretising the time axis in N time steps of amplitude https://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> ϵ , implying T=N https://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> ϵ . For https://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> ϵ → 0 , the Feynman Path Integral formula is derived: https://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> < q N | e - i T H / ℏ | q 0 > = ∫ d [ q ( t ) ] e i S q ( t ) , q ' ( t ) / ℏ , where integration is over all trajectories https://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> q ( t ) which satisfy the boundary conditions at https://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> t 1 and t 2 . https://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> S ( q , q ' ) is the classical Action, a function of https://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> q and of its time derivative. The classical limit, corresponding to https://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> ℏ → 0 , is considered, whereby the solution of the Feynman Path Integral reduces to the classical trajectory, https://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> q c ( t ) , which minimises the classical Action. The lattice approximation , i.e. small, non vanishing https://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> ϵ , with evaluation of the Feynman integral by numerical integration, provides a useful approximation in the case of the fundamental theory of the strong interactions (Quantum Chromodynamics, or QCD), to be considered later; Chapters 17 to19. This chapter is completed by consideration of the extension of gthe formalism to imaginary time, where the Feynman Path Integral becomes the Partition Function of Statistical Mechanics, and by the definition of the Green's functions, ground-state expectation values of products of quantum operators q(t) taken at different times, https://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> t 1 , t 2 … t N .
Οι ραγδαίες εξελίξεις στην επιστήμη της Κβαντικής Υπολογιστικής απειλούν τα θεμέλια ασφάλειας των κλασικών κρυπτογραφικών συστημάτων, καθιστώντας αναγκαία τη δημιουργία και την ανάπτυξη μετακβαντικών κρυπτογραφικών αλγορίθμων. Αυτή η διατριβή διερευνά τα θεωρητικά θεμέλια, τις πρακτικές υλοποιήσεις και τις αξιολογήσεις απόδοσης μετακβαντικών κρυπτογραφικών αλγορίθμων που έχουν σχεδιαστεί για να αντέχουν τις ικανότητες των κβαντικών αντιπάλων. Η έρευνά μας περιλαμβάνει τέτοια πιθανά κρυπτογραφικά πρωτόκολλα, με ιδιαίτερη έμφαση στους αλγόριθμους που βασίζονται σε δικτυωτά και επικεντρώνεται στην ασφάλεια, την αποτελεσματικότητά τους και τη δυνατότητα εφαρμογής τους στην καθημερινότητα. Οι αρχικές ενότητες της διατριβής παρέχουν μια ολοκληρωμένη ανασκόπηση των μαθηματικών θεμελίων της μετα-κβαντικής κρυπτογραφίας, περιγράφοντας λεπτομερώς τα τρωτά σημεία των σημερινών συστημάτων όπως το RSA υπό κβαντικές επιθέσεις, ιδιαίτερα εκείνα που αφορούν τον αλγόριθμο του Shor. Αναλύουμε τις θεμελιώδεις ισχυρές υποθέσεις που στηρίζουν τους μετακβαντικούς αλγόριθμους, όπως το δυσεπίλυτα προβλήματα των δικτυωτών, που δημιουργούν μια ισχυρή θεωρητική βάση για την ασφάλειά τους. Ο πυρήνας της διατριβής είναι αφιερωμένος στην περιγραφή και αξιολόγηση συγκεκριμένων μετακβαντικών κρυπτογραφικών αλγορίθμων που βασίζονται σε δικτυωτά. Η διατριβή εμβαθύνει στις θεωρητικές βάσεις, τις πρακτικές υλοποιήσεις και τις βελτιστοποιήσεις απόδοσης κρυπτογραφικών σχημάτων που βασίζονται σε δικτυωτά, με ιδιαίτερη έμφαση στη δυνατότητα εφαρμογής τους σε έναν μετα-κβαντικό κόσμο. Η έρευνα περιλαμβάνει μια ολοκληρωμένη ανάλυση των μαθηματικών κατασκευών που κρύβουν προβλήματα δικτυωτών,την εφαρμογή τους, την ανάπτυξη ισχυρών κρυπτογραφικών πρωτοκόλλων και την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας και της ασφάλειάς τους. Εξετάζουμε το σχεδιασμό και την υλοποίηση σχημάτων κρυπτογράφησης δημόσιου κλειδιού, όπως τα κρυπτοσυστήματα GGH, NTRU, LWE και Ring-LWE, όπως και ψηφιακών υπογραφών, επισημαίνοντας τις ιδιότητες ασφαλείας και την πρακτική τους απόδοση. ΤοLearning With Errors έχει συγκεντρώσει ιδιαίτερη προσοχή λόγω των ισχυρών αποδείξεων ασφαλείας και της ευελιξίας του στην κατασκευή κρυπτογραφικών σχημάτων. Επιπλέον, η παρούσα διατριβή διερευνά τις θεωρητικές βάσεις και τις πρακτικές εφαρμογές κρυπτογραφικών σχημάτων που βασίζονται στο πρόβλημα Learning With Errors (LWE). Στο δεύτερο και κύριο μέρος, αναπτύσσουμε ένα νέο κρυπτογραφικό πρωτόκολλο βασισμένο στο LWE κρυπτοσύστημα, το οποίο περιλαμβάνει πρωτόκολλο ανταλλαγής κλειδιών και ένα σχήμα κρυπτογράφησης δημόσιου κλειδιού. Ο κρυπτογραφικός μας αλγόριθμος εφαρμόζεται, αναλύεται αυστηρά ως προς την ασφάλεια και την αποτελεσματικότητά του, με έμφαση στη δυνατότητα εφαρμογής του. Εισάγουμε μια βελτιστοποίηση του LWE, κατασκευάζοντας ένα πιο σύνθετο κρυπτογραφικό πρωτόκολλο για κρυπτογράφηση one-to-oneκαι το σχήμα μας είναι ένα σύστημα που βασίζεται στο LWE και εφαρμόζεται σε σύγχρονες πλατφόρμες που χρησιμοποιούν κρυπτογράφηση. Αυτές οι εφαρμογές απεικονίζουν την ευελιξία και τις δυνατότητες του LWE ως θεμελιώδους εργαλείου στο ευρύτερο τοπίο της κρυπτογραφικής έρευνας.Αυτή η διατριβή συμβάλλει στην πρόοδο της κρυπτογραφίας με βάση τα δικτυωτά παρέχοντας θεωρητικές γνώσεις, πρακτικές υλοποιήσεις και ένα καινοτόμο βελτιστοποιημένο κρυπτοσύστημα βασισμένο στο Learning with Errors. Τα ευρήματα μας υποστηρίζουν την υιοθέτηση κρυπτογραφικών συστημάτων που βασίζονται στο LWE ως ακρογωνιαίο λίθο της ασφαλούς επικοινωνίας στη μετα-κβαντική εποχή.
The conventional approach to quantum mechanics begins with the classical Hamiltonian and changes observables to non-commuting operators. Generally, the quantum mechanics based on the Schrodinger equation is preferred for a system of particles. But path integral formulation of quantum mechanics finds applications in more complicated situations, particularly, in quantum field theory. The purpose of solving the Schrodinger equation lies in finding the time evolution operator which is able to generate the time translation of the given system. Richard Feynman noticed that it was necessary to perform integrals over all space variables at every instant of time to find the transition amplitudes. Dissipative phenomena with a quantum origin manifest themselves in many different situations and hence the study of dissipative systems and their quantization is of a great theoretical and practical value. Many dissipative systems can be modelled as a linearly damped harmonic oscillator.
Τα φάρμακα μέσω της αλληλεπίδρασης τους κυρίως με συγκεκριμένες πρωτεΐνες-στόχους, ρυθμίζουν βιοχημικά μονοπάτια και φυσιολογικές λειτουργίες με στόχο την πρόληψη και τη θεραπεία των διαφόρων ασθενειών. Το αυξανόμενο κόστος και οι μακροχρόνιοι περίοδοι ανάπτυξης των νέων φαρμάκων αποτελούν σημαντική πρόκληση για τη φαρμακοβιομηχανία. Σύμφωνα με πρόσφατα δεδομένα, το 92.5% των υποψηφίων φαρμάκων αποτυγχάνει. Αυτό οδηγεί σε σημαντική απώλεια πόρων και χρόνου με το μέσο συνολικό κόστος ανάπτυξης ενός φαρμάκου να ανέρχεται στα 879.3 εκατομμύρια δολάρια και τον μέσο χρόνο ανάπτυξης του στα 15 χρόνια. Το κόστος της ανάπτυξης νέων φαρμάκων αναμένεται να συνεχίσει να αυξάνεται στο μέλλον, γεγονός που κάνει επιτακτική την ανάγκη εύρεσης νέων προσεγγίσεων που θα μειώσουν το κόστος και τον χρόνο ανάπτυξης. Τα τελευταία χρόνια, η μηχανική μάθηση έχει συνεισφέρει σημαντικά προς αυτή την κατεύθυνση. Επιπλέον, η μεγάλη αύξηση των διαθέσιμων βιολογικών δεδομένων έχει βοηθήσει τις μεθόδους βαθιάς μάθησης να επιδείξουν ανώτερες επιδόσεις σε σύγκριση με τη συμβατική μηχανική μάθηση και άλλες παραδοσιακές υπολογιστικές μεθόδους. Ωστόσο, οι μέθοδοι αυτές είναι πολύπλοκες και χρονοβόρες, γεγονός που αποτελεί σημαντικό εμπόδιο στην πρακτική εφαρμογή τους. Στο πλαίσιο αυτό, η κβαντική υπολογιστική και η κβαντική μηχανική μάθηση προσφέρουν θεωρητικά υποσχόμενες λύσεις για την αποτελεσματική αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων. Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη κλασική μηχανική μάθηση και την κβαντική υπολογιστική, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα πεδία μπορούν να συνδυαστούν αποτελεσματικά, στη δημιουργία ενός νέου ερευνητικού πεδίου αυτό της κβαντικής μηχανικής μάθησης. Επιπλέον, στη συγκεκριμένη εργασία παρουσιάζονται αναλυτικά οι εφαρμογές της κβαντικής μηχανικής μάθησης στο πεδίο της ανακάλυψης φαρμάκων. Η πρόβλεψη της συγγένειας πρόσδεσης φαρμάκων σε πρωτεΐνες-στόχους, είναι ένα από τα πιο σημαντικά θέματα στην ανακάλυψη φαρμάκων. Παρουσιάζουμε τους κλασικούς αλγόριθμους μηχανικής μάθησης που προβλέπουν τη συγγένεια πρόσδεσης και συζητάμε διάφορα θέματα όπως η αναπαράσταση των δεδομένων. Προτείνουμε υβριδικά κβαντο-κλασικά νευρωνικά δίκτυα για την πρόβλεψη της συγγένειας πρόσδεσης πρωτεΐνης-στόχου και πιθανού φαρμάκου καθώς και ένα πλαίσιο υλοποίησης και αξιολόγησης κλασικών και υβριδικών κβαντο-κλασικών νευρωνικών δικτύων. Αρχικά, σχεδιάζουμε ένα μεταβλητό κβαντικό αλγόριθμο για την πρόβλεψη τιμών και ένα κλασικό συνελικτικό νευρωνικό δίκτυο μιας διάστασης για την παράλληλη εξαγωγή χαρακτηριστικών των πρωτεϊνών και των φαρμάκων. Διατηρώντας το κλασικό συνελικτικό νευρωνικό δίκτυο σταθερό, υλοποιούμε διάφορα κλασικά και υβριδικά κβαντο-κλασικά μοντέλα. Στην κλασική προσέγγιση, υλοποιούνται τρία κλασικά τμήματα πρόβλεψης διαφορετικών πολυπλοκοτήτων χρησιμοποιώντας τρία πλήρως συνδεδεμένα στρώματα. Ενώ στην υβριδική προσέγγιση, υλοποιούνται πέντε κβαντικά τμήματα πρόβλεψης, συνδυάζοντας τον μεταβλητό κβαντικό αλγόριθμο πρόβλεψης, με διαφορετικές κβαντικές κωδικοποιήσεις, και με κβαντικά κυκλώματα διαφορετικών qubits. Τα πειράματα εκτελέστηκαν σε προσομοιωτή και τα ευρήματά μας δείχνουν σαφώς ότι τα υβριδικά κβαντο-κλασικά μοντέλα με χαμηλότερη πολυπλοκότητα αποδίδουν βελτιωμένη ακρίβεια και γενίκευση, επιδεικνύοντας το κβαντικό πλεονέκτημα. Επιπλέον, τα υβριδικά μοντέλα επιταχύνουν τη διαδικασία εκπαίδευσης όσον αφορά τις επαναλήψεις και επιτυγχάνουν ταχύτερη σταθεροποίηση. Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι η κβαντική μηχανική μάθηση αποτελεί μια υποσχόμενη κατεύθυνση. Τέλος, η παρούσα διατριβή παρέχει σημαντικές γνώσεις και μεθοδολογίες που μπορούν να βελτιώσουν την εφαρμογή και την αξιολόγηση των τεχνικών κβαντικής μηχανικής μάθησης, ενισχύοντας την πρακτική εφαρμογή τους σε κβαντικές θορυβώδες- ενδιάμεσης κλίμακας συσκευές.