The last decades have witnessed impressive technical advances in all the fields of quantum science, including solid-state systems or atomic, molecular, and optical physics, allowing one to control materials at the microscopic scale with a high degree of precision. This development opens the road for the investigation of complex many-body phenomena in quantum materials, which cannot be easily inferred from the behavior of their individual constituents. Indeed, interactions in quantum many-body systems can lead to richer physics compared to the noninteracting case, as they are deeply connected with spontaneous symmetry breaking, quantum correlations, i.e., entanglement, and some collective behaviors. On the one hand, in some cases, the motivation to study such interacting systems is the possibility to synthesize them in the lab, such as for instance with cold atoms in optical lattices. The latter platform can be used as a quantum simulator of systems that were regarded just as toy models in the last century, as it is the case of topological insulators: materials characterized by a global topological invariant leading to protected surface modes. While so far experiments have concentrated their efforts on engineering noninteracting topological insulators, state-of-the art techniques can also be used to study the role of interactions in these systems. In this context, the first goal of this thesis is to investigate novel effects in interaction-induced topological insulators. In the one-dimensional case, we reveal the topological nature of fermionic chains with frustrated interactions, which could be realized with dipolar quantum gases. For the two-dimensional case, we focus on topological Mott insulators, for which we propose an experimental scheme based on Rydberg-dressed atoms. Furthermore, we show that these systems can exhibit rich spatial features intertwined with their topological protection, owing to the interacting nature of the phase. On the other hand, there are some paradigmatic cases, as in high-Tc superconductors, where exotic experimental results clearly point towards the need of finding a microscopic model in a many-body interacting framework. In the particular case of high-Tc superconductors, their complex composition and unknown exact form of intrinsic interactions make it challenging to characterize their rich phase diagram: such materials not only host a high-Tc superconducting phase, but also other exotic phases, such as the strange metal or pseudogap phases. In this regard, the second goal of this thesis is to gain physical insight of the pseudogap phase of cuprate high-Tc superconductors. To this aim, we numerically study the effect of interactions between electrons and bond phonons within a particular Hamiltonian modeling of the system. We show that, by properly accounting for the subtle interplay between electron-electron and electron-phonon interactions, one can indeed numerically reproduce the main experimental features of the pseudogap phase. Finally, the study of collective interaction-induced effects is also needed to analyze the quantum advantage theoretically claimed for some systems. In particular, many-body interactions and entanglement are sometimes regarded as a resource for quantum thermodynamic machines: devices that perform tasks related to refrigeration, heat-to-work conversion, or energy storage. On this basis, the third goal of this thesis is to study fundamental bounds imposed by quantum mechanics to collective charging effects in systems for energy storage, called quantum batteries. Les últimes dècades han presenciat grans avenços tècnics en tots els camps de la física quàntica, com en física de l'estat sòlid, o en física atòmica, molecular i òptica, els quals han permès controlar materials a escala microscòpica amb alta precisió. Aquests avenços obren la porta a l'estudi de fenòmens complexos de diverses partícules en materials quàntics, els quals no poden ser explicats de manera simple a partir del comportament individual de cadascuna d'aquestes partícules. En aquest sentit, les interaccions en sistemes quàntics de vàries partícules poden donar lloc a una física més rica en comparació amb el cas sense interaccions, ja que aquestes estan profundament connectades amb la ruptura espontània de simetria, correlacions quàntiques com l'entrellaçament, i alguns fenòmens col·lectius. Per una banda, una de les motivacions per estudiar aquests sistemes amb interaccions ve donada per la possibilitat de sintetitzar-los al laboratori, per exemple amb àtoms freds en xarxes òptiques. Aquesta plataforma pot ser emprada com a simulador quàntic de sistemes que al llarg del segle passat eren considerats models purament teòrics, com és el cas dels aïllants topològics: materials caracteritzats per un invariant global topològic, el qual dona lloc a estats de superfície protegits. Tot i que de moment els experiments s'han enfocat a simular aïllants topològics sense interaccions, aquestes també es poden estudiar experimentalment amb les tècniques més avançades. En aquest context, el primer objectiu d'aquesta tesi és investigar nous fenòmens en aïllants topològics generats a través d'interaccions. En una dimensió, descobrim la naturalesa topològica de cadenes d'electrons amb interaccions frustrades, que podrien ser simulades amb gasos dipolars. En dues dimensions, ens centrem en l'estudi d'aïllants topològics de tipus Mott, pels quals proposem una implementació experimental basada en àtoms de Rydberg parcialment excitats, i mostrem que, degut a les interaccions inherents a aquest tipus de fases, aquestes poden presentar propietats espacials interessants entrellaçades amb la topologia. Per altra banda, hi ha alguns casos paradigmàtics, com el dels superconductors a altes temperatures, en què per explicar resultats experimentals exòtics és necessari trobar un model microscòpic en un marc de diverses partícules amb interaccions. En el cas particular dels superconductors a altes temperatures, la seva composició complexa i el desconeixement de la forma de les interaccions internes fan difícil caracteritzar el seu diagrama de fases: més enllà de la fase superconductora, aquests materials també presenten altres fases interessants com la del metall estrany o la fase de pseudogap. En aquest cas, el segon objectiu d'aquesta tesi és entendre millor la física de la fase de pseudogap dels cuprates, una família de de materials superconductors a altes temperatures. Amb aquesta finalitat, estudiem numèricament l'efecte d'interaccions electró-fonó, dins d'una modelització Hamiltoniana del sistema. Mostrem que, quan és té en compte la interrelació entre interaccions electró-fonó i electró-electró de manera adequada, es poden reproduir de forma numèrica les principals propietats experimentals de la fase de pseudogap. Finalment, l'estudi d'efectes col·lectius causats per interaccions també és necessari per analitzar els avantatges quàntics que s'han predit de manera teòrica en alguns sistemes. En concret, les interaccions entre diverses partícules i l'entrellaçament quàntic són considerats com a recursos per les màquines termodinàmiques quàntiques: dispositius que s'encarreguen de realitzar tasques com refrigerar, convertir calor en treball, o emmagatzemar energia. En aquesta direcció, el tercer objectiu d’aquesta tesi és estudiar els límits fonamentals imposats per la mecànica quàntica als efectes col·lectius de càrrega en sistemes emprats per emmagatzemar energia, les bateries quàntiques. Las últimas décadas han presenciado grandes avances técnicos en todos los campos de la física cuántica, como en física del estado sólido, o en física atómica, molecular y óptica, que han permitido controlar materiales a escala microscópica con alta precisión. Estos avances abren la puerta al estudio de fenómenos complejos de diversas partículas en materiales cuánticos, que no pueden ser explicados de manera simple a partir del comportamiento individual de cada una de estas partículas. En este sentido, las interacciones en sistemas cuánticos de varias partículas pueden dar lugar a una física más rica en comparación con el caso sin interacciones, puesto que éstas están profundamente conectadas con la ruptura espontánea de simetría, correlaciones cuánticas como el entrelazamiento, y algunos fenómenos colectivos. Por un lado, una de las motivaciones para estudiar estos sistemas con interacciones viene dada por la posibilidad de sintetizarlos en el laboratorio, por ejemplo con átomos fríos en redes ópticas. Esta plataforma puede utilizarse como simulador cuántico de sistemas considerados como modelos puramente teóricos en el siglo pasado, como los aislantes topológicos: materiales caracterizados por un invariante global topológico, que da lugar a estados de superficie protegidos. Aunque por el momento los experimentos se han enfocado a simular aislantes topológicos sin interacciones, éstas también pueden estudiarse experimentalmente con las técnicas más avanzadas. En ese contexto, el primer objetivo de esta tesis es investigar nuevos fenómenos en aislantes topológicos generados a través de interacciones. En una dimensión, descubrimos la naturaleza topológica de cadenas de electrones con interacciones frustradas, que podrían ser simuladas con gases dipolares. En dos dimensiones, nos centramos en el estudio de aislantes topológicos de tipo Mott, por los que proponemos una implementación con átomos de Rydberg parcialmente excitados, mostrando que, debido a las interacciones inherentes a este tipo de fases, éstas pueden presentar propiedades espaciales interesantes entrelazadas con la topología. Por otro lado, existen algunos casos paradigmáticos, como el de los superconductores a altas temperaturas, en los que para explicar resultados experimentales exóticos es necesario encontrar un modelo microscópico en un marco de diver
The last decades have witnessed impressive technical advances in all the fields of quantum science, including solid-state systems or atomic, molecular, and optical physics, allowing one to control materials at the microscopic scale with a high degree of precision. This development opens the road for the investigation of complex many-body phenomena in quantum materials, which cannot be easily inferred from the behavior of their individual constituents. Indeed, interactions in quantum many-body systems can lead to richer physics compared to the noninteracting case, as they are deeply connected with spontaneous symmetry breaking, quantum correlations, i.e., entanglement, and some collective behaviors. On the one hand, in some cases, the motivation to study such interacting systems is the possibility to synthesize them in the lab, such as for instance with cold atoms in optical lattices. The latter platform can be used as a quantum simulator of systems that were regarded just as toy models in the last century, as it is the case of topological insulators: materials characterized by a global topological invariant leading to protected surface modes. While so far experiments have concentrated their efforts on engineering noninteracting topological insulators, state-of-the art techniques can also be used to study the role of interactions in these systems. In this context, the first goal of this thesis is to investigate novel effects in interaction-induced topological insulators. In the one-dimensional case, we reveal the topological nature of fermionic chains with frustrated interactions, which could be realized with dipolar quantum gases. For the two-dimensional case, we focus on topological Mott insulators, for which we propose an experimental scheme based on Rydberg-dressed atoms. Furthermore, we show that these systems can exhibit rich spatial features intertwined with their topological protection, owing to the interacting nature of the phase. On the other hand, there are some paradigmatic cases, as in high-Tc superconductors, where exotic experimental results clearly point towards the need of finding a microscopic model in a many-body interacting framework. In the particular case of high-Tc superconductors, their complex composition and unknown exact form of intrinsic interactions make it challenging to characterize their rich phase diagram: such materials not only host a high-Tc superconducting phase, but also other exotic phases, such as the strange metal or pseudogap phases. In this regard, the second goal of this thesis is to gain physical insight of the pseudogap phase of cuprate high-Tc superconductors. To this aim, we numerically study the effect of interactions between electrons and bond phonons within a particular Hamiltonian modeling of the system. We show that, by properly accounting for the subtle interplay between electron-electron and electron-phonon interactions, one can indeed numerically reproduce the main experimental features of the pseudogap phase. Finally, the study of collective interaction-induced effects is also needed to analyze the quantum advantage theoretically claimed for some systems. In particular, many-body interactions and entanglement are sometimes regarded as a resource for quantum thermodynamic machines: devices that perform tasks related to refrigeration, heat-to-work conversion, or energy storage. On this basis, the third goal of this thesis is to study fundamental bounds imposed by quantum mechanics to collective charging effects in systems for energy storage, called quantum batteries. Les últimes dècades han presenciat grans avenços tècnics en tots els camps de la física quàntica, com en física de l'estat sòlid, o en física atòmica, molecular i òptica, els quals han permès controlar materials a escala microscòpica amb alta precisió. Aquests avenços obren la porta a l'estudi de fenòmens complexos de diverses partícules en materials quàntics, els quals no poden ser explicats de manera simple a partir del comportament individual de cadascuna d'aquestes partícules. En aquest sentit, les interaccions en sistemes quàntics de vàries partícules poden donar lloc a una física més rica en comparació amb el cas sense interaccions, ja que aquestes estan profundament connectades amb la ruptura espontània de simetria, correlacions quàntiques com l'entrellaçament, i alguns fenòmens col·lectius. Per una banda, una de les motivacions per estudiar aquests sistemes amb interaccions ve donada per la possibilitat de sintetitzar-los al laboratori, per exemple amb àtoms freds en xarxes òptiques. Aquesta plataforma pot ser emprada com a simulador quàntic de sistemes que al llarg del segle passat eren considerats models purament teòrics, com és el cas dels aïllants topològics: materials caracteritzats per un invariant global topològic, el qual dona lloc a estats de superfície protegits. Tot i que de moment els experiments s'han enfocat a simular aïllants topològics sense interaccions, aquestes també es poden estudiar experimentalment amb les tècniques més avançades. En aquest context, el primer objectiu d'aquesta tesi és investigar nous fenòmens en aïllants topològics generats a través d'interaccions. En una dimensió, descobrim la naturalesa topològica de cadenes d'electrons amb interaccions frustrades, que podrien ser simulades amb gasos dipolars. En dues dimensions, ens centrem en l'estudi d'aïllants topològics de tipus Mott, pels quals proposem una implementació experimental basada en àtoms de Rydberg parcialment excitats, i mostrem que, degut a les interaccions inherents a aquest tipus de fases, aquestes poden presentar propietats espacials interessants entrellaçades amb la topologia. Per altra banda, hi ha alguns casos paradigmàtics, com el dels superconductors a altes temperatures, en què per explicar resultats experimentals exòtics és necessari trobar un model microscòpic en un marc de diverses partícules amb interaccions. En el cas particular dels superconductors a altes temperatures, la seva composició complexa i el desconeixement de la forma de les interaccions internes fan difícil caracteritzar el seu diagrama de fases: més enllà de la fase superconductora, aquests materials també presenten altres fases interessants com la del metall estrany o la fase de pseudogap. En aquest cas, el segon objectiu d'aquesta tesi és entendre millor la física de la fase de pseudogap dels cuprates, una família de de materials superconductors a altes temperatures. Amb aquesta finalitat, estudiem numèricament l'efecte d'interaccions electró-fonó, dins d'una modelització Hamiltoniana del sistema. Mostrem que, quan és té en compte la interrelació entre interaccions electró-fonó i electró-electró de manera adequada, es poden reproduir de forma numèrica les principals propietats experimentals de la fase de pseudogap. Finalment, l'estudi d'efectes col·lectius causats per interaccions també és necessari per analitzar els avantatges quàntics que s'han predit de manera teòrica en alguns sistemes. En concret, les interaccions entre diverses partícules i l'entrellaçament quàntic són considerats com a recursos per les màquines termodinàmiques quàntiques: dispositius que s'encarreguen de realitzar tasques com refrigerar, convertir calor en treball, o emmagatzemar energia. En aquesta direcció, el tercer objectiu d’aquesta tesi és estudiar els límits fonamentals imposats per la mecànica quàntica als efectes col·lectius de càrrega en sistemes emprats per emmagatzemar energia, les bateries quàntiques. Las últimas décadas han presenciado grandes avances técnicos en todos los campos de la física cuántica, como en física del estado sólido, o en física atómica, molecular y óptica, que han permitido controlar materiales a escala microscópica con alta precisión. Estos avances abren la puerta al estudio de fenómenos complejos de diversas partículas en materiales cuánticos, que no pueden ser explicados de manera simple a partir del comportamiento individual de cada una de estas partículas. En este sentido, las interacciones en sistemas cuánticos de varias partículas pueden dar lugar a una física más rica en comparación con el caso sin interacciones, puesto que éstas están profundamente conectadas con la ruptura espontánea de simetría, correlaciones cuánticas como el entrelazamiento, y algunos fenómenos colectivos. Por un lado, una de las motivaciones para estudiar estos sistemas con interacciones viene dada por la posibilidad de sintetizarlos en el laboratorio, por ejemplo con átomos fríos en redes ópticas. Esta plataforma puede utilizarse como simulador cuántico de sistemas considerados como modelos puramente teóricos en el siglo pasado, como los aislantes topológicos: materiales caracterizados por un invariante global topológico, que da lugar a estados de superficie protegidos. Aunque por el momento los experimentos se han enfocado a simular aislantes topológicos sin interacciones, éstas también pueden estudiarse experimentalmente con las técnicas más avanzadas. En ese contexto, el primer objetivo de esta tesis es investigar nuevos fenómenos en aislantes topológicos generados a través de interacciones. En una dimensión, descubrimos la naturaleza topológica de cadenas de electrones con interacciones frustradas, que podrían ser simuladas con gases dipolares. En dos dimensiones, nos centramos en el estudio de aislantes topológicos de tipo Mott, por los que proponemos una implementación con átomos de Rydberg parcialmente excitados, mostrando que, debido a las interacciones inherentes a este tipo de fases, éstas pueden presentar propiedades espaciales interesantes entrelazadas con la topología. Por otro lado, existen algunos casos paradigmáticos, como el de los superconductores a altas temperaturas, en los que para explicar resultados experimentales exóticos es necesario encontrar un modelo microscópico en un marco de diver
(English) When matter is cooled to temperatures near absolute zero, its quantum nature begins to emerge. The interactions between its microscopic constituents can then lead to the emergence of fascinating physical properties. While the framework of spontaneous symmetry breaking has been incredibly successful in describing how a macroscopic number of particles cooperate to give a system its properties, there are many situations where this is not sufficient to describe quantum systems. This is especially true for strongly interacting many-body systems. In recent years, multiple techniques have been developed to address this problem. On the one hand, the incredible advances in classical computing hardware and algorithms, have made it possible to study systems with a number of elementary components that were unimaginable just a few decades ago. In particular, the development of techniques such as tensor networks has unified the framework of quantum information with condensed matter physics, making it possible to optimize the computational complexity of simulating a system, based on its entanglement content. On the other hand, the development of platforms to directly perform simulations on quantum systems is a highly sought objective. While a hypothetical universal quantum computer could dramatically increase our understanding of the quantum nature of matter, its difficult development makes it essential to study analog platforms where specific many-body models can be studied directly in a controlled environment. In these quantum simulators, novel quantum phenomena can be studied in an environment free of disorder, with excellent control over parameters and measurement capabilities. In this thesis, we aim to explore these two paths to study some of the most relevant active topics in physics beyond the symmetry breaking paradigm. In the first part, devoted to topology, we propose and analyze new techniques for the detection of topological excitations. We start by proposing a protocol to detect anyons, quasiparticles that do not behave either as bosons or fermions, in Fractional Quantum Hall Effect systems through measuring the angular momentum of impurities binding to the anyons. We then show how similar excitations can be identified in topological superconductors through an interaction between the electromagnetic field of a strong laser pulse and the system in a process called High Harmonic Generation In the second part, we move to the study of quantum frustration. This phenomenon, which describes a situation in which various constraints of the system cannot be satisfied simultaneously, can lead to the emergence of unexpected phases of matter. In particular, we study how frustrated phases and a particular class of quantum critical points, called deconfined can emerge in one-dimensional frustrated systems, potentially realizable in quantum simulators. We then study how frustration could explain the onset of superconductivity mixed with charge density modulations in two-dimensional strongly-correlated systems. (Català) Quan la matèria es refreda a temperatures prop del zero absolut, la seva naturalesa quàntica emergeix. En aquest règim, les interaccions entre els seus constituents microscòpics poden conduir a l’aparició de propietats físiques fascinants. Encara que el marc de la ruptura espontània de simetria ha estat remarcablement reeixit en descriure com un nombre macroscòpic de partícules cooperen per dotar a un sistema de les seves propietats, això no és sempre suficient per descriure els sistemes quàntics. Això és especialment cert per sistemes de molts cossos que interactuen fortament. En els darrers anys, s’han desenvolupat múltiples tècniques per abordar aquest problema. D’una banda, els increïbles avenços en computació clàssica i el desenvolupament de nous algorismes han fet possible estudiar sistemes amb un nombre de constituents fonamentals que eren inimaginables fa tan sols unes dècades. En particular, el desenvolupament de tècniques com les xarxes de tensors ha unificat els marcs de la informació quàntica amb la matèria condensada, el que permet optimitzar els recursos computacionals per simular un sistema en funció del seu entrellaçament. D’altra banda, el desenvolupament de plataformes per realitzar simulacions directament sobre sistemes quàntics és un objectiu molt buscat. Encara que un hipotètic ordinador quàntic universal podria augmentar dramàticament la nostra comprensió de la naturalesa quàntica de la matèria, el seu difícil desenvolupament fa essencial la realització de plataformes analògiques on es poden estudiar directament models específics de molts cossos en entorns altament controlats. En aquests simuladors quàntics, es poden observar fenòmens quàntics nous en un entorn lliure de desordre i amb un excel·lent control sobre els paràmetres i capacitats de mesura. En aquesta tesi, explorem aquestes dues vies per estudiar alguns dels temes més rellevants i actius de la física més enllà del paradigma de la ruptura espontània de simetria. En la primera part, dedicada a la topologia, proposem i analitzem noves tècniques per a la detecció d’excitacions topològiques. Comencem proposant un protocol per detectar anyons, quasi-partícules que no es comporten ni com bosons ni com fermions, en sistemes d’efecte Hall quàntic fraccional per mitjà de la mesura del moment angular d’impureses que s’enllacen als anyons. Després mostrem com excitacions similars poden ser identificades en superconductors topològics a través de la interacció entre el camp electromagnètic d’un fort pols làser amb el sistema en un procés anomenat generació d’alts harmònics. En la segona part, passem a l’estudi de la frustració quàntica. Aquest fenomen, que descriu una situació en la qual diverses restriccions del sistema no poden ser satisfetes simultàniament, pot conduir a l’aparició de fases inesperades de la matèria. Concretament, estudiem l’emergència de fases frustrades i una classe particular de punts crítics quàntics, anomenats desconfiats, en sistemes frustrats unidimensionals potencialment realitzables en simuladors quàntics. Finalment, estudiem com la frustració podria explicar l’aparició de la superconductivitat barrejada amb modulacions de densitat de càrrega en sistemes bidimensionals fortament correlacionats.
The outstanding progress achieved in the last decades to isolate and manipulate individual quantum systems has revolutionized the way in which quantum many-body phenomena, appearing across Nature's different energy scales, can be investigated. By employing atomic systems such as ultracold atoms in optical lattices, an enormous range of paradigmatic models from condensed-matter and high-energy physics are being currently studied using table-top experiments, turning Feynman's idea of a quantum simulator into a reality.Quantum simulators offer the possibility to gather information about complex quantum systems, which are either not accessible to experiments or whose properties can not be easily derived using standard analytical or numerical approaches. These synthetic quantum systems can be designed precisely such that they are described under the same models as natural systems, and their remarkable control allows to probe the relevant phenomena associated to them. Apart from their quantum simulation capabilities, atomic systems can also be employed to generate quantum matter with novel properties beyond those found in Nature, offering interesting prospects for quantum technological applications. In this thesis, we investigate the possibilities that cold-atom systems present to address, in particular, quantum matter with non-trivial topological properties. Using mixtures of ultracold atoms, we analyze various quantum simulation strategies to access several many-body phenomena for which a satisfactory understanding is still lacking. Moreover, we show how such platforms display strongly-correlated topological effects beyond those found in natural systems. We first focus on models inspired by condensed-matter physics. More precisely, we propose how lattices dynamics, similar to those described by phonons in solid crystals, can be implemented in an otherwise static optical lattice. By coupling the former to quantum matter using a mixture of bosonic atoms, we reproduce typical effects described by electronic systems, such as topological defects or charge fractionalization. We then extend these results and find novel features, from boson fractionalization to intertwined topological phases.We then consider the quantum simulation of high-energy-physics problems. By using Bose-Fermi mixtures, we show how non-perturbative phenomena characteristic of non-abelian gauge theories, such as quark confinement, emerge in simpler models that are within the reach of current technology. Finally, we investigate how the interplay between gauge invariance and strong correlations gives rise to various mechanisms to prepare robust topological order in near-term quantum simulators.In summary, our results show several connections between different areas of theoretical and experimental physics, and indicate how these can be harnessed further to advance our understanding of strongly-correlated quantum matter, as well as to utilize the latter for new technological applications. El enorme progreso llevado a cabo en las últimas decadas para aislar y manipular sistemas cuánticos individuales ha revolucionado la manera de investigar fenómenos cuánticos de muchos cuerpos, los cuales se presentan a diferentes escalas energéticas en la naturaleza. Actualmente, una gran variedad de modelos paradigmáticos en física de la materia condensada y de altas energías se estudian experimentalmente utilizando sistemas atómicos tales como átomos ultrafríos en retículos ópticos, llevando a la realidad la idea de simulador cuántico de Feynman. Los simuladores cuánticos ofrecen la posibilidad de obtener información sobre otros sistemas cuánticos más complejos que, o bien no son accesibles experimentalmente, o cuyas propiedades no se pueden predecir fácilmente utilizando técnicas analíticas o numéricas usuales. Estos sistemas cuánticos sintéticos se pueden diseñar de tal manera que se encuentren descritos precisamente por los mismos modelos que los anteriores y, gracias a su notable control, permiten investigar los fenómenos más relevantes asociados a ellos. Aparte de su uso como simuladores cuánticos, estos sistemas atómicos se pueden utilizar para crear nuevos tipos de materia cuántica cuyas propiedades pueden ser diferentes de aquellas encontradas en la naturaleza, ofreciendo así aplicaciones interesantes en tecnología cuántica. En esta tesis investigamos las posibilidades que los sistemas de átomos fríos ofrecen para obtener materia cuántica con propiedades topológicas no triviales. Analizamos, en particular, diferentes estrategias de simulación cuántica para acceder a varios fenómenos de muchos cuerpos que aún no se entienden de forma satisfactoria, utilizando para ello mezclas de átomos ultrafríos. Mostramos además como estas plataformas pueden dar lugar a efectos topológicos fuertemente correlacionados que van más allá de los encontrados hasta ahora en sistemas naturales. Primero nos enfocamos en modelos inspirados por sistemas de materia condensada. En particular, proponemos como implementar retículos dinámicos, los cuales suelen ser estáticos en sitemas ópticos, de manera que podamos simular las partículas fonónicas que aparecen en sólidos cristalinos. Acoplamos estos últimos a materia cuántica utilizando una mezcla de átomos bosónicos, lo cual nos permite reproducir algunos de los efectos típicos que aparecen en sitemas electrónicos, tales como defectos topológicos o fraccionalización de la carga. Por último, extendemos estos resultados encontrando rasgos nuevos, desde la fraccionalización de bosones hasta fases topológicas entrelazadas. Consideramos además simulaciones cuánticas para problemas en física de altas energías. Utilizando mezclas de átomos bosónicos y fermiónicos, mostramos como algunos fenómenos no perturbativos característicos de teorías gauge no abelianas, tales como el confinamiento de quarks, pueden aparecer en modelos más sencillos, los cuales están al alcance de la tecnología actual. Finalmente, investigamos como la interacción entre simetría gauge y correlaciones fuertes puede dar lugar a nuevos mecanismos para genera orden topológico más robusto en simuladores cuánticos a corto plazo. En resumen, nuestros resultados muestras varias conexiones entre diferentes areas de la física teórica y experimental, e indican como estas pueden ser exploradas para avanzar en el conocmiento de la materia cuántica fuertemente correlacionada, así como en las posibles aplicaciones tecnológicas de esta última.
For a long time, quantum states of matter have been successfully characterized by the Ginzburg-Landau formalism that was able to classify all different types of phase transitions. This view changed with the discovery of the quantum Hall effect and topological insulators. The latter are materials that host metallic edge states in an insulating bulk, some of which are protected by the existing symmetries. Complementary to the search of topological phases in condensed matter, great efforts have been made in quantum simulations based on cold atomic gases. Sophisticated laser schemes provide optical lattices with different geometries and allow to tune interactions and the realization of artificial gauge fields. At the same time, new concepts coming from quantum information, based on entanglement, are pushing the frontier of our understanding of quantum phases as a whole. The concept of entanglement has revolutionized the description of quantum many-body states by describing wave functions with tensor networks (TN) that are exploited for numerical simulations based on the variational principle. This thesis falls within the framework of the studies in condensed matter physics: it focuses indeed on the so-called synthetic realization of quantum states of matter, more specifically, of topological ones, which may have on the long-run outfalls towards robust quantum computers. We propose a theoretical investigation of cold atoms in optical lattice pierced by effective (magnetic) gauge fields and subjected to experimentally relevant interactions, by adding a modern numerical approach based on TN algorithms. More specifically, this work will focus on (i) interacting topological phases in quasi-1D systems and, in particular, the Creutz-Hubbard model, (ii) the connection between condensed matter and high energy physics studying the Gross-Neveu model and the discretization of Wilson-Hubbard model, (iii) implementing tensor network-based algorithms. Durante mucho tiempo, los estados cuánticos de la materia se han caracterizado con éxito por el formalismo de Ginzburg-Landau que permitió de clasificar todos los diferentes tipos de transiciones de fase. Esta visión cambió con el descubrimiento del efecto Hall cuántico y los aislantes topológicos. Estos últimos son materiales que albergan estados de borde metálicos en una masa aislante, algunos de los cuales están protegidos por las simetrías existentes. Conjuntamente a la búsqueda de fases topológicas en materia condensada, se han hecho grandes esfuerzos en simulaciones cuánticas basadas en gases atómicos fríos. Los sofisticados esquemas láser proporcionan redes ópticas con diferentes geometrías y permiten ajustar las interacciones y la realización de campos de gauge artificial. Al mismo tiempo, los nuevos conceptos que provienen de la información cuántica, basados en el entanglement, están empujando la frontera de nuestra comprensión de las fases cuánticas en su conjunto. El concepto de entanglement ha revolucionado la descripción de los estados cuánticos de muchos cuerpos al describir las funciones de onda con redes tensoras (TN) que se explotan para simulaciones numéricas basadas en el principio de variación. Esta tesis se enmarca en los estudios de física de la materia condensada: en particular, se centra en la llamada realización sintética de los estados cuánticos de la materia, más específicamente, de los topológicos, que pueden tener en las salidas a largo plazo hacia computadoras cuánticas robustas. Se propone una investigación teórica de los átomos fríos en la red óptica con campos de gauge efectivos y sometidos a interacciones relevantes experimentalmente, agregando un enfoque numérico moderno basado en algoritmos TN. Más específicamente, este trabajo se centrará en (i) fases topológicas en los sistemas cuasi-1D y, en particular, el modelo Creutz-Hubbard, (ii) la conexión entre la materia condensada y la física de alta energía estudiando el modelo Gross-Neveu y el discretización del modelo Wilson-Hubbard, (iii) implementación de algoritmos basados en redes tensoras.
Atomic and optical physics are two fields closely connected by a shared range of energy scales, and the interactions between them. Atoms represent the most fundamental components of matter, and interactions with electromagnetic fields are responsible for many properties used to characterize a material, like the emission and absorption of radiation by these systems. Over the last decades, this has allowed us to use light as a tool to access and manipulate the internal states of atomic systems. Such a quantum control has transformed atoms into one of the preferred platforms to explore fundamental science, including applications in quantum information, quantum metrology or, more recently, the realization of synthetic materials where light can induce interactions that would be difficult to find intrinsically in real materials. In the first part of this Thesis, we show how single atoms coupled to a cavity field can offer unique opportunities as quantum optomechanical devices because of their small mass and strong interaction with light. In particular, we focus on the "single-photon strong coupling" regime, where motional displacements on the order of the zero-point uncertainty are sufficient to shift the cavity resonance frequency by more than its linewidth. By coupling atomic motion to the narrow cavity-dressed atomic resonance, we theoretically observe that the scattering properties of single photons can become highly entangled with the atomic wavefunction, even if the cavity linewidth is large. This leads to a per-photon motional heating that is significantly larger than the single-photon recoil energy, as well as mechanically-induced oscillations that could be observed in the correlations of state-of-the-art cavity systems. In the second part of the Thesis, we investigate how synthetic materials built using light can be harnessed as quantum simulators, defeating the limitations that classical computers face in the exploration of quantum phenomena. We particularly focus on ultracold atomic mixtures trapped in optical lattices, where atom-mediated long-range interactions can provide an enabling tool in the simulation of relevant problems in condensed matter or quantum chemistry. First, we show that fermionic atoms in an ultracold gas can act as a mediator, giving rise to effective long-range RKKY interactions among other neutral atoms trapped in an optical lattice. We further propose several experimental knobs to tune these interactions, which are characterized by the density and dimensionality of the gas and are accessible in current experimental platforms. We also show that these knobs open up the exploration of new frustrated regimes where symmetry-protected topological phases and chiral spin liquids emerge. Second, we introduce a set of experimental schemes where long-range interactions are mediated by an additional bosonic species trapped in a commensurate optical lattice, both in 2D and 3D. In particular, we show that the interplay with cavity QED can lead to effective Coulomb-like repulsion, which opens the door to the analog simulation of quantum chemistry problems using ultracold fermionic atoms as simulated electrons. Apart from explaining the emergent mechanism, we provide operational conditions for the simulator, benchmark it with simple atoms and molecules, and analyze how the continuous limit is approached for increasing optical lattice sizes. Finally, we compare our results with those of the continuum limit, where conventional quantum chemistry methods can be evaluated and tested. In summary, our results show connections between different areas of theoretical and experimental physics where light-matter interaction can play a dominant role, and suggest how this can be harnessed to further advance our understanding of stronglycorrelated quantum matter. La física óptica y atómica son dos campos de investigación conectados por un rango de energías común. El átomo representa el componente más fundamental de la materia, y su interacción con campos electromagnéticos es responsable de muchas de las propiedades utilizadas para caracterizar materiales, como por ejemplo la emisión y absorción de radiación por estos sistemas. Este control a nivel cuántico ha erigido los átomos como una de las plataformas preferidas para explorar ciencia fundamental, incluyendo aplicaciones en información cuántica, metrología o, más recientemente, la fabricación de materiales sintéticos en que la luz es capaz de inducir interacciones que serían difíciles de encontrar intrínsecamente en materiales convencionales. En la primera parte de esta Tesis mostramos cómo un átomo individual acoplado a una cavidad puede manifestar propiedades optomecánicas a nivel cuántico únicas, debido a su baja masa y fuerte interacción con la luz. En particular, nos centramos en el límite de acoplamiento fuerte al nivel de un único fotón, donde un desplazamiento en el orden de la incertidumbre del punto cero es suficiente para cambiar la frecuencia de resonancia de la cavidad más allá de su ancho de línea. Al acoplar este movimiento del átomo a su estrecha resonancia, observamos teóricamente que la dispersión de fotones individuales queda fuertemente entrelazada con la función de onda del átomo, incluso cuando la resonancia de la cavidad es ancha. Esto conlleva que cada fotón caliente el átomo significativamente más de lo que se esperaría de su energía de retroceso, y podría manifestarse en dispositivos actuales en forma de oscilaciones dictadas por el movimiento del átomo. En la segunda parte de la Tesis investigamos cómo algunos materiales sintéticos fabricados con luz pueden utilizarse como simuladores cuánticos, desafiando así las limitaciones que los ordenadores clásicos enfrentan actualmente a la hora de explorar fenómenos cuánticos. En particular, nos centramos en el estudio de mezclas de átomos ultrafríos atrapados en redes ópticas, donde interacciones de largo alcance mediadas por estos átomos pueden jugar un papel fundamental en la simulación de problemas relevantes en materia condensada o química cuántica. Primero, mostramos que átomos fermiónicos en un gas ultrafrío pueden actuar como mediadores, dando lugar a interacciones efectivas de largo alcance tipo RKKY entre átomos neutros atrapados. Asimismo, proponemos diferentes estrategias para modular estas interacciones a través de la densidad y dimensión del gas, lo que es experimentalmente accesible en plataformas actuales. Mostramos también que esta versatilidad permite la exploración de sistemas frustrados, donde aparecen fases topológicas protegidas por simetría y líquidos quirales de espín. En segundo lugar, introducimos un conjunto de esquemas experimentales donde las interacciones de largo alcance son mediadas por una especie bosónica adicional atrapada en una red óptica, tanto en 2D como en 3D. En particular, mostramos que la interacción adicional con una cavidad puede dar lugar a una repulsión efectiva del tipo Coulomb, lo que abre la puerta a simular de manera analógica problemas de química cuántica, tomando átomos fermiónicos ultrafríos como electrones simulados. Además de explicar estos mecanismos, derivamos las condiciones operacionales para el simulador, lo probamos para átomos y moléculas sencillas, y analizamos cómo se aproxima el límite en el continuo a medida que la red óptica aumenta. Finalmente, comparamos nuestros resultados con los esperados en el continuo, donde los métodos utilizados en química cuántica pueden ser evaluados y puestos a prueba. En resumen, nuestros resultados dibujan conexiones entre diferentes áreas de la física teórica y experimental donde la interacción entre la luz y la materia puede jugar un papel fundamental, y sugerimos cómo se puede aprovechar esto para avanzar aún más en nuestra comprensión de la materia cuántica fuertemente correlacionada.
(English) In recent years, the evolution of quantum technologies has resulted in an unprecedented control over individual quantum particles and many-body systems. This remarkable progress has given rise to a new era, marked by the convergence of classical and quantum methodologies to investigate fundamental questions concerning the nature of quantum matter, improving our understanding of the role of entanglement in solid-state systems or the mechanisms behind high-energy physics. From analog quantum simulators to digital quantum computers, these advancements hold potential across diverse domains. This thesis explores the interplay between classical and quantum methods in understanding topological phases of matter. We concentrate on three distinct directions: non-conventional topological superconductors, interaction-induced topological phases in ultracold atom quantum simulators, and applications of variational quantum algorithms. Each trajectory relies on the combination of different techniques with the aim of understanding and characterizing topological phenomena in different settings. Exploring non-conventional topological superconductors involves extending the paradigmatic Kitaev chain model by incorporating additional terms in the Hamiltonian such as long-range interactions and quasi-periodic potentials. This investigation is relevant to better understand the impact of real-world conditions on the both the topological and localization properties of systems hosting non-local Majorana modes, which are promising candidates for topological quantum computation. In the realm of interacting systems, we explore the realization of interaction-induced topological phases in systems of ultracold atoms in optical lattices, both in one and two dimensions. The remarkable control and versatility of such platforms enable the simulation of both theoretical topological models and strongly correlated physics. Notably, the interplay between interactions and topology can give rise to intriguing phenomena, such as delocalized fractional charges and gapless topological phases,challenging existing intuition. We employ advanced numerical methods based on tensor networks to benchmark the experimental proposals that open the door to the realization and detection of novel many-body phases of matter, including topological quantum critical points and a higher-order topological Peierls insulator in Bose-Hubbard models with long-range interactions. Variational quantum algorithms, conversely, have the potential to efficiently tackle a wide range of problems, including ground state search, phase classification or accessing topological invariants. Despite current limitations in trainability and scalability, these hybrid classical-quantum algorithms provide practical insights into current quantum hardware capabilities and can inspire future architectures. We explore the application of variational quantum algorithms to shed light on topological phenomena, raising questions about their ability to discern topological phase transitions and compute topological invariants in situations where classical approaches fail. This thesis presents a comprehensive exploration of distinct approaches to topological quantum matter by leveraging quantum technologies and quantum-inspired classical algorithms. Our results not only advance our understanding of quantum systems but also pave the way for the realization and discovery of novel physics extending to quantum information processing, materials science, and beyond.
Understand and tame complex quantum mechanical systems to build quantum technologies is one of the most important scientific endeavour nowadays. In this effort, Atomic, molecular and Optical systems have clearly played a major role in producing proofs of concept of several important applications. Notable examples are Quantum Simulators for difficult problems in other branches of physics i.e. spin systems, disordered systems, etc., and small sized Quantum Computers. In particular, ultracold atomic gases and trapped ion experiments are nowadays at the forefront in the field. This fantastic experimental effort needs to be accompanied by a matching theoretical and numerical one. The main two reasons are: 1) theoretical work is needed to identify suitable regimes where the AMO systems can be used as efficient quantum simulators of important problems in physics and mathematics, 2) thorough numerical work is needed to benchmark the results of the experiments in parameter regions where a solution to the problem can be found with classical devices. In this dissertation, we present several important examples of systems, which can be numerically solved. The technique used, which is common to all the work presented in the dissertation, is exact diagonalization. This technique works solely for systems of a small number of particles and/or a small number of available quantum states. Despite this limitation, one can study a large variety of quantum systems in relevant parameter regimes. A notable advantage is that it allows one to compute not only the ground state of the system but also most of the spectrum and, in some cases, to study dynamics. The dissertation is organized in the following way. First, we provide an introduction, outlining the importance of this technique for quantum simulation and quantum validation and certification. In Chapter 2, we detail the exact diagonalization technique and present an example of use for the phases of the 1D Bose-Hubbard chain. Then in Chapters 3 to 6, we present a number of important uses of exact diagonalization. In Chapter 3, we study the quantum Hall phases, which are found in two-component bosons subjected to artificial gauge fields. In Chapter 4, we turn into dynamical gauge fields, presenting the topological phases which appear in a bosonic system trapped in a small lattice. In Chapter 5, a very different problem is tackled, that of using an ultracold atomic gases to simulate a spin model. Quantum simulation is again the goal of Chapter 6, where we propose a way in which the number-partitioning problem can be solved by means of a quantum simulator made with trapped ions. Finally, in Chapter 7, we collect the main conclusions of the dissertation and provide a brief outlook. Entendre i controlar sistemes complexos regits per la mecànica quàntica per a construir tecnologies quàntiques es un dels reptes mes rellevants de la ciència en l’actualitat. Els sistemes atòmics, moleculars i òptics han jugat clarament un rol capital en aquest esforç, produint proves de concepte per a diverses aplicacions de consideració. Exemples notables en son els simuladors quàntics dissenyats per a resoldre problemes complicats d’altres branques de la física, com ara sistemes d’espins, sistemes desordenats, etc.... i ordinadors quàntics de dimensions reduïdes. En particular, els experiments amb gasos d’àtoms ultrafreds i amb trampes iòniques son la punta de llança del camp en l’actualitat. El fantàstic afany experimental ha d’anar associat amb d’altres teòric i numèric que el corresponguin. Les raons principals son: 1) els estudis teòrics son necessaris per tal d’identificar règims adients en que els sistemes AMO puguin esser emprats com a simuladors quàntics eficients de problemes rellevants de la Física i les Matemàtiques, 2) els treballs numèrics exhaustius son necessaris per a contrastar els resultats dels experiments en regions de paràmetres en que els dispositius clàssics son capaços de trobar solucions. En aquesta tesi, presentem diversos exemples de sistemes rellevants que poden esser resolts numèricament. La tècnica emprada -que es comuna per a tot el treball- es la diagonalització exacta. L’ús d’aquesta tècnica es limitat a sistemes amb nombres baixos partícules i/o pocs estats quàntics accessibles. Malgrat aquesta limitació, es poden estudiar una gran varietat de sistemes quàntics en els règims rellevants dels paràmetres de control. Un avantatge notable es el fet que permet calcular no nomes l’estat de mínima energia del sistema, sinó que també la majoria de l’espectre i, en alguns casos, àdhuc estudiar-ne la dinàmica. La tesi s’organitza tal i com prossegueix. En primer lloc, proveïm una introducció, subratllant la importància d’aquesta tècnica per a la simulació quàntica i la validació quàntica i certificació. En el capítol 2, detallem la tècnica de la diagonalització exacta i presentem un exemple del seu us per a les fases per a una cadena de Bose-Hubbard unidimensional. En els capítols del 3 al 6, presentem alguns usos rellevants de la diagonalització exacta. En el capítol 3, estudiem les fases degudes a l’efecte Hall quàntic en un sistema de dues components de bosons sotmesos a camps de gauge artificials. En el capítol 4, canviem a camps de gauge dinàmics, presentant les fases topològiques que apareixen en un sistema de bosons atrapats en una petita xarxa reticular. En el capítol 5, s’hi tracta un problema ben diferent, el d’emprar gasos d’àtoms ultrafreds per a per a simular un model d’espín. La simulació quàntica es de nou l’objectiu del capítol 6, en que proposem una forma en que el problema de la partició de nombres pot esser resolt per mitja d’un simulador quàntic construït amb trampes iòniques. Finalment, en el capítol 7, recollim les conclusions principals del treball i donem una breu opinió del futur d’aquesta investigació. Entender y controlar sistemas complejos regidos por la mecánica cuántica para construir tecnologías cuánticas es una de los retos científicos más relevantes en la actualidad. Los sistemas atómicos, moleculares y ópticos han jugado claramente un rol capital en este esfuerzo, produciendo pruebas de concepto para diversas aplicaciones de consideración. Notables ejemplos son los simuladores cuánticos diseñados para resolver problemas complicados de otras ramas de la física, como lo son los sistemas de espines, sistemas desordenados, etc.. . . i los ordenadores cuánticos de dimensiones reducidas. En particular, los experimentos con gases de átomos ultrafríos y con trampas iónicas son la punta de lanza del campo en la actualidad. El fantástico empeño experimental tiene que ir asociado a otros teórico y numérico que le correspondan. Las principales razones son: 1) los estudios teóricos son necesarios para identificar regímenes adecuados en que los sistemas AMO puedan ser usados cómo simuladores cuánticos eficientes para problemas relevantes de la Física y las Matemáticas, 2) los trabajos numéricos exhaustivos son necesarios para contrastar los resultados de los experimentos en regiones de parámetros en que los dispositivos clásicos sean capaces de encontrar soluciones. En esta tesis, presentamos diferentes ejemplos de sistemas relevantes que pueden ser resueltos numéricamente. La técnica usada –que es común en todo el trabajo– es la diagonalización exacta. El uso de ésta técnica está restringido a sistemas con números bajos de partículas i/o estados cuánticos accesibles. A pesar de esta limitación, se puede estudiar gran variedad de sistemas cuánticos en los regímenes relevantes de los parámetros de control. Una ventaja notable es que permite calcular no sólo el estado de mínima energía del sistema, sino que también la mayoría del espectro e, en algunos casos, incluso estudiar la dinámica. La tesis se organiza como sigue. En primer lugar, ofrecemos una introducción, subrayando la importancia de esta técnica para la simulación cuántica y la validación cuántica y certificación. En el capítulo 2, detallamos la técnica de la diagonalización exacta y presentamos un ejemplo de su uso para una cadena de Bose-Hubbard unidimensional. En los capítulos del 3 al 6, presentamos algunos usos relevantes de la diagonalización exacta. En el capítulo 3, estudiamos las fases debidas al efecto Hall cuántico en un sistema de dos componentes de bosones sometidos a campos de gauge artificiales. En el capítulo 4, cambiamos hacia campos gauge dinámicos, presentando las fases topológicas que aparecen en un sistema de bosones atrapados en una pequeña malla reticular. En el capítulo 5, se trata un problema bien diferente, el de usar gases de átomos ultrafríos para simular un modelo de espín. La simulación cuántica es de nuevo el objetivo del capítulo 6, en que proponemos una forma en que el problema de la partición de números puede ser resuelta mediante un simulador cuántico construido con trampas iónicas. Finalmente, en el capítulo 7, recogemos las conclusiones principales de los trabajos y damos una breve opinión del futuro de ésta investigación