The effects of quantum interferences and interaction strength on the entropic uncertainty relations, and on mutual information correlation sums, are examined in two-level superposition states of two coupled oscillators. The presence of quantum interferences results in a movement of the entropy sums toward the uncertainty relation bound, for both attractive and repulsive interaction potentials. On the other hand, these interferences suppress the statistical correlations in the presence of an attractive potential, while the correlations increase for a repulsive one. In general, stronger interactions between particles move the entropy sums away from bound, with the result that the systems possess larger statistical correlations. However, there are superposition and attractive interaction regimes, where the entropy sum of an interacting system can actually lie closer to the bound, in comparison to the corresponding non-interacting one. In these cases, the statistical correlations between particles is lesser for the interacting systems, as compared to the non-interacting ones. These effects are not observed when repulsive potentials are present. Here, the non-interacting systems lower-bound both the entropy sums and correlation measures. These results offer insights into the nature of superposition or quantum interference effects in interacting quantum systems, and the behavior in terms of the entropic uncertainty relations, statistical correlations and interaction strength. Resumen. Se examinan los efectos que las interferencias cuánticas y la magnitud de la interacción tienen sobre las relaciones de incertidumbre entrópicas, así como sobre las sumas correlaciones me didas a través de la información mutua, en estados de superposición de dos niveles de dos osciladores acoplados. La presencia de interferencias cuánticas da como resultado un movimiento de las sumas entrópicas hacia la cota de la relación de incertidumbre, tanto para potenciales de interacción atractivos como repulsivos. Por otra parte, en presencia de un potencial atractivo, estas interferencias suprimen las correlaciones estadísticas, mientras que las correlaciones aumentan en presencia de uno repulsivo. En general, con interacciones más fuertes entre partículas, las sumas de entrópicas se alejan de la cota, dando como resultado mayores correlaciones estadísticas en los sistemas. Sin embargo, existen regímenes de superposición e interacción atractiva, en los cuales la suma entrópica de un sistema interactuante puede estar más cerca de la cota, en comparación con el sistema no interactuante correspondiente. En estos casos, las correlaciones estadísticas entre partículas son menores para los sistemas interactúantes que para los no interactuantes. Estos efectos no se observan en los potenciales repulsivos. En este caso, los sistemas no interactuantes establecen límites inferiores tanto para las sumas entrópicas como para las medidas de correlación. Estos resultados dan información sobre la naturaleza de los efectos de superposición o interferencia cuántica en sistemas cuánticos interactuantes, y su comportamiento en términos de relaciones de incertidumbre entrópica, correlaciones estadísticas y fuerza de interacción.
The effects of quantum interferences and interaction strength on the entropic uncertainty relations, and on mutual information correlation sums, are examined in two-level superposition states of two coupled oscillators. The presence of quantum interferences results in a movement of the entropy sums toward the uncertainty relation bound, for both attractive and repulsive interaction potentials. On the other hand, these interferences suppress the statistical correlations in the presence of an attractive potential, while the correlations increase for a repulsive one. In general, stronger interactions between particles move the entropy sums away from bound, with the result that the systems possess larger statistical correlations. However, there are superposition and attractive interaction regimes, where the entropy sum of an interacting system can actually lie closer to the bound, in comparison to the corresponding non-interacting one. In these cases, the statistical correlations between particles is lesser for the interacting systems, as compared to the non-interacting ones. These effects are not observed when repulsive potentials are present. Here, the non-interacting systems lower-bound both the entropy sums and correlation measures. These results offer insights into the nature of superposition or quantum interference effects in interacting quantum systems, and the behavior in terms of the entropic uncertainty relations, statistical correlations and interaction strength. Resumen. Se examinan los efectos que las interferencias cuánticas y la magnitud de la interacción tienen sobre las relaciones de incertidumbre entrópicas, así como sobre las sumas correlaciones me didas a través de la información mutua, en estados de superposición de dos niveles de dos osciladores acoplados. La presencia de interferencias cuánticas da como resultado un movimiento de las sumas entrópicas hacia la cota de la relación de incertidumbre, tanto para potenciales de interacción atractivos como repulsivos. Por otra parte, en presencia de un potencial atractivo, estas interferencias suprimen las correlaciones estadísticas, mientras que las correlaciones aumentan en presencia de uno repulsivo. En general, con interacciones más fuertes entre partículas, las sumas de entrópicas se alejan de la cota, dando como resultado mayores correlaciones estadísticas en los sistemas. Sin embargo, existen regímenes de superposición e interacción atractiva, en los cuales la suma entrópica de un sistema interactuante puede estar más cerca de la cota, en comparación con el sistema no interactuante correspondiente. En estos casos, las correlaciones estadísticas entre partículas son menores para los sistemas interactúantes que para los no interactuantes. Estos efectos no se observan en los potenciales repulsivos. En este caso, los sistemas no interactuantes establecen límites inferiores tanto para las sumas entrópicas como para las medidas de correlación. Estos resultados dan información sobre la naturaleza de los efectos de superposición o interferencia cuántica en sistemas cuánticos interactuantes, y su comportamiento en términos de relaciones de incertidumbre entrópica, correlaciones estadísticas y fuerza de interacción.
The sums of position- and momentum-space mutual information measures are used to examine the pairwise and higher-order statistical correlation in the ground states of N-particle coupled oscillators. Analytical expressions for these measures are shown to be related to the logarithmic interaction energies of these states, plus those of mirror states where the intensities of the one- and two-body potentials are interchanged, and the nature of the attractive or repulsive interaction is opposite to that in the original state. The measures separate the contributions from the interactions and those from the effective interactions due to marginalization into different terms. The pairwise mutual information sum is linearly related to the Shannon entropy sum in two particle systems, while the total correlation sum exhibits a similar relationship in three particle ones. In the latter instance, the interaction information sum can be related to entropy differences. This illustrates how entropy sums are connected to correlation measure sums in these systems. All measures approach zero with large N, when the magnitudes of the one- and two-body potentials are fixed. The pair mutual information and total correlation sums decay monotonically with N in the presence of an attractive potential and monotonically increase with a repulsive potential. On the other hand, the interaction information sum exhibits a minimum at small N, with an attractive potential. This is a consequence of the higher-order correlations governing behavior at smaller N while the pairwise ones dominate at larger N. Results are presented when the magnitude of the one-body potential is set to N.
Uno de los aspectos más importes en el contexto de información cuántica del cual hacen uso las llamadas tecnologías cuánticas, es el de correlaciones cuantías. En particular, el denominado entrelazamiento cuántico (traducción acogida para el termino Entanglement), que ha sido arduamente estudiado como una correlación intrínseca de estados cuánticos, y como recurso físico para desarrollo de protocolos de información y computación cuántica [2]. Sin embargo, desde el año 2000 los reportes sobre nuevas correlaciones cuánticas más generales que el entrelazamiento, originalmente denominada discordia cuántica [3] abrieron todo un campo de investigación. Dado que estas correlaciones son importantes, no solo desde un punto de vista teórico de su definición y propiedades, sino también desde una perspectiva de aplicación como recurso cuántico para futuras tecnologías, y que estas dependen de medidas locales realizadas sobre las partes del sistema haciendo que existan muchas formas de definir correlaciones tipo discordia cuántica, esto es gracias a que en mecánica cuántica se cuenta con diversas transformaciones locales, como por ejemplo; transformaciones unitarias, medidas de von Neumann, proyecciones, etc [4]. En este trabajo se presenta un estudio comparativo de dos cuantificadores de correlaciones tipo discordia cuántica; una definición inducida de la información mutua (a la que originalmente se le atribuye el nombre de discordia), y una definición basada en coherencia, que denominaremos potencia de interferometría. La comparación se hace sobre las definiciones y propiedades de los cuantificadores. Específicamente se realizó una comparación sistemática de la discordia original y la potencia de interfermetría sobre estados mezclados como sigue: i) estados combinados con ruido blanco, en el que uno de los componentes de la mezcla es el operador identidad, ii) mezcla de dos estados cuánticos correlacionados, y iii) mezcla de un estado correlacionado con un estado producto. Los tres casos pueden parametrizarse con un único parámetro p con 0 ≤ p ≤ 1. La variación del parámetro, modela de forma sencilla la acción de canales de ruidos que transforman un estado cuántico en otro. Sin embargo, aquí no nos interesamos por modelar un ruido en específico, sino en estudiar el comportamiento de las correlaciones en los casos establecidos, donde observamos sus definiciones, algunas de sus propiedades y la forma de calcularlas para estados cuánticos de dos qubits, los resultados ilustran el comportamiento de éstos dos cuantificadores, los cuales toman valores diferentes para estados mezclados. También, se realizó el estudio comparativo del comportamiento de los dos cuantificadores en la evolución de estados cuánticos de qubits en un entorno disipativo, los resultados ilustran el efecto sobre éstos dos cuantificadores debido a la interacción con un reservorio, cuyos parámetros son controlados dentro del régimen de Born-Markov.
Los corrales cuánticos presentan propiedades interesantes debido a la interesante \ncombinación de confinamiento y focalización algunas de las cuales fueron observadas experimentalmente. Estudiamos el comportamiento estático y dinámico de estos sistemas. \nEn primer lugar analizamos el caso del corral cuántico no interactuante (sin impurezas), y con parámetros realistas obtuvimos los autoestados la elipse con el modelo de pared dura. Posteriormente estudiamos el sistema en presencia de dos impurezas de Kondo de espín S = 1/2 localizadas en los focos de la elipse. Éstas interactúan con los electrones itinerantes en la elipse vía un término de superintercambio J. Diagonalizamos este sistema numéricamente y estudiamos propiedades tales como correlación de espín y correlaciones dinámicas. Encontramos que, para valores de J chicos comparado con el ancho de banda, \nlos espines están en un estado singlete para número par de electrones en la elipse o triplete para número impar (régimen RKKY). En ese límite es posible describir el comportamiento a bajas energías con un hamiltoniano efectivo entre las impurezas. Para valores grandes de J más estados electrónicos están involucrados y los espines se descorrelacionan formando un estado de Kondo local con los electrones itinerantes. Estudiamos algunas magnitudes de la teoría de la información cuántica que es una herramienta alternativa para el análisis de sistemas cuánticos. Calculamos la entropía de von Neumann para diversas particiones del \nsistema y caracterizamos el cambio de régimen de RKKY al de Kondo ante el incremento de J, de acuerdo a los resultados obtenidos con el cálculo de funciones de correlaciones estáticas y dinámicas. \nAdicionalmente consideramos fluctuaciones de carga en los estados de las impurezas y analizamos propiedades estáticas y dinámicas en función de los parámetros relevantes del sistema. El modelo estudiado consiste de dos impurezas de Anderson localizadas en los focos e hibridizadas con magnitud V a los electrones en la elipse. Con el estudio de la correlación de espín entre las impurezas, y entre una impureza y los electrones en un mismo foco, caracterizamos los regímenes RKKY y Kondo. Esto está de acuerdo con los resultados obtenidos con la densidad de estados electrónica calculada usando un modelo más realista que incluye la hibridización con estados del continuo. \nEncontramos una relación entre el entrelazamiento entre las impurezas de espín y \nobservables físicos del sistema. Con ésto obtuvimos el diagrama de fases de entrelazamiento entre las impurezas para llenado par e impar, que presenta regiones en las que están entrelazadas y otras de estados separables.Mostramos resultados numéricos que sustentan las relaciones encontradas. \nComo aplicación adicional de los conceptos de información cuántica al estudio de las propiedades físicas de sistemas correlacionados, analizamos una cadena de espín S = 1 con condiciones de contorno abiertas y con interacción a primeros vecinos bilineal y bicuadrática (β). En particular estudiamos los modelos de Heisenberg (β = 0) y AKLT (β = 1/3). Realizamos diversos estudios en sistemas bipartitos puros y mixtos. Para caracterizar el entrelazamiento en un sistema bipartito puro usamos la entropía de von Neumann, en cambio para un sistema bipartito mixto, usamos la negatividad. Estos estudios nos permitieron estudiar las excitaciones de espín 1/2 localizadas en los bordes de la cadena [87, 88]. \nUn resultado interesante aparece cuando analizamos el entrelazamiento entre dos \npartes del sistema; que es máximo entre los extremos de la cadena y disminuye hacia el centro, reflejando el carácter fraccionario y la localización de las excitaciones de espín del modelo, que han sido observadas experimentalmente. \nEn conclusión, usando tanto técnicas tradicionales (correlaciones estáticas y dinámicas) como novedosas (información cuántica) para el estudio de sistemas interactuantes, investigamos el comportamiento de algunos sistemas nanoscópicos paradigmáticos. Para ésto utilizamos técnicas tanto analíticas como numéricas de actualidad. Esperamos que los resultados obtenidos en esta tesis sean útiles para una mejor comprensión de estos sistemas, así como para posibles aplicaciones nanotecnológicas. \n
Abstract The Shannon information entropy sum is examined as systems comprised of two-level harmonic oscillator states are passed through dephasing and depolarization quantum channels. We show how the entropy sum increases as the dephasing parameter is increased. The interpretation here is a loss of information in the system as the quantum coherences are removed. This result and interpretation also holds in the depolarization channel as the system transits to the maximally mixed state. The increase in the entropy sum is associated with a delocalization of both position and momentum densities. The behaviour of phase-space Wigner functions and their Shannon entropies is also addressed. Wigner negativity is seen to decrease and disappear with an increase of the dephasing parameter. Here, Wigner negativity is associated with the presence of quantum coherences. The imaginary component of the Wigner function entropy is shown to capture the changes in Wigner negativity. On the other hand, Wigner functions with diagonal input density matrices are non-negative in the depolarization channel. Their real-valued Shannon entropies increase with the depolarization parameter as the system approaches the maximally mixed state. The mutual information between the Wigner function and the product of position and momentum space densities is used to probe the statistical correlation between position and momentum variables. This measure decreases in both channels as the parameter increases. Thus, there is a loss of correlation as quantum coherences are eliminated in the dephasing case, and as the system transits to the maximally mixed case in the depolarizing channel.
The uncertainty principle can be expressed in entropic terms, also taking into account the role of entanglement in reducing uncertainty. The information exclusion principle bounds instead the correlations that can exist between the outcomes of incompatible measurements on one physical system, and a second reference system. We provide a more stringent formulation of both the uncertainty principle and the information exclusion principle, with direct applications for, e.g., the security analysis of quantum key distribution, entanglement estimation, and quantum communication. We also highlight a fundamental distinction between the complementarity of observables in terms of uncertainty and in terms of information.
Esta Tesis constituye una contribucion a la representacion teorico-informacional de los sistemas complejos microscopicos (atomos, moleculas,...), que complementa la representacion energetica familiar que proporcionan las teorias basadas en la funcion de onda y en los funcionales de la densidad. El papel mas relevante en el tratamiento de los sistemas de una y de muchas particulas que se consideran en esta Tesis lo juegan las nociones de informacion, complejidad, divergencia, similitud y entrelazamiento de la densidad de probabilidad caracteristica de los estados cuanticos de tales sistemas.
En la primera parte de esta Tesis, titulada Information-theoretic Measures with Applications to Atomic Systems, se analizan varias medidas del contenido informacional y de la distancia teorico-informacional relativa de varios sistemas atomicos no-relativistas y relativistas, sus propiedades y sus aplicaciones a algunos fenomenos y procesos atomicos especificos. Ademas, hemos introducido tres nuevas medidas comparativas: el indice de similitud cuantica generalizada mono-parametrico, la medida de divergencia geometrica mono-parametrica y la complejidad relativa generalizada bi-parametrica. Estas novedosas medidas teorico-informacionales generalizan las medidas de similitud o semejanza, extiende las medidas de divergencia de Jensen, que cuantifican la disimilaridad entre dos o mas sistemas de muchos cuerpos, y mejora mediante una generalizacion el concepto de complejidad relativa.
En la segunda parte, titulada Quantum Entanglement in Harmonic Many-body Systems, se investigan las caracteristicas de entrelazamiento de los estados fundamental y de los estados excitados de los tres sistemas armonicos exactamente resolubles siguientes: el sistema de Moshinsky tri-dimensional de dos electrones en presencia de un campo magnetico externo, el sistema de Moshinsky mono-dimensional de tres electrones, y el sistema de tipo Moshinsky de muchos cuerpos que consta de Nn particulas de masa grande (?nucleos?) y Ne particulas de masa pequena (?electrones?) que interactuan armonicamente entre si y, ademas, estan confinados en un potencial armonico.
En estos sistemas, se analiza la dependencia del entrelazamiento con los diversos parametros del sistema, tales como la intensidad relativa entre la interaccion a dos cuerpos y el potencial de confinamiento o con la intensidad del campo magnetico, el numero de particulas, y la energia. Se observa que el entrelazamiento crece con la interaccion entre particulas. Para campos fuertes, el entrelazamiento es decreciente debido al efecto confinante del campo magnetico, y tiende a un valor asintotico finito que depende de la interaccion. Asimismo, se desarrolla un metodo perturbativo para lograr una mayor introspeccion en la dependencia energetica del entrelazamiento, asi como para explicar el valor finito, no nulo, del entrelazamiento que presentan los estados excitados en el limite de interaccion debil.
En la tercera parte, titulada Entanglement and Interference of Composite Bosons, se hace un tratamiento detallado del comportamiento bosonico de bosones formados por dos fermiones, que podemos observar en procesos de interferencia con dichos cobosones.
Investigamos la relacion entre el caracter compuesto de los cobosones y el entrelazamiento (descrito por la pureza de los estados mono-fermionicos). En este contexto, mejoramos sustancialmente las cotas existentes en la literatura, y se obtiene la forma explicita de los estados cuanticos que optimizan el indicador del caracter bosonico dado por la ratio de las constantes de normalizacion de los estados de N -cobosones para una pureza P dada. Las cotas obtenidas son optimas en el sentido de que se saturan para los estados extremales encontrados. La cota superior precisa obtenida cae cerca de la cota inferior cuando el producto N · P <<1, de forma que en este regimen no solo la desviacion del comportamiento perfectamente bosonico es pequena sino que puede ser tambien acotada de manera muy precisa por la pureza.
Por otro lado, se da un formalismo general que describe el proceso de interferencia de muchos bosones compuestos por dos fermiones fuertemente ligados donde usamos el modelo de Fermi-Hubbard para su interpretacion fisica. Tambien mostramos que el estado de muchos bifermiones se puede describir mediante una superposicion de estados con un numero diferente de bosones y fermiones perfectos, y como inferir el entrelazamiento y el comportamiento bosonico de los bifermiones en la dinamica de un beam-splitter. Final- mente, cabe senalar que esta superposicion permite entender el comportamiento no ideal bosonico de los bifermiones como un tipo de distinguibilidad parcial, y dar expresiones sencillas del recuento estadistico en los procesos de interferencia de condensados Bose-Einstein (BEC).