A Relatividade Geral é a teoria que descreve geometricamente a gravitação como consequência da curvatura exercida por conteúdos de matéria e energia no espaço-tempo. Sua validade experimental é robusta, sendo amparada por testes como a curvatura da luz em torno de objetos massivos, a existência de buracos negros e a propagação de ondas gravitacionais. No entanto, a observação de efeitos que indiquem sua natureza quântica ainda é ausente. Do ponto de vista teórico, sua caracterização é bem conhecida, tratando-se de uma teoria quantizável mas não--renormalizável. Experimentalmente, testes que buscam assinaturas quânticas desse campo são de difícil realização, uma vez que o acoplamento gravitacional é comparativamente muito inferior ao de outras interações. Tradicionalmente, a busca de sinais quânticos do campo gravitacional é realizada em regimes de altas energias, manifestando-se em correções quânticas efetivas pós-Newtonianas. Mais recentemente, essas investigações tem sido estendidas ao outro extremo do espectro, o de baixas energias: previsões teóricas não--relativísticas tem se mostrado igualmente interessantes e com possibilidade de amparo em experimentos de pequena escala (table-top). Uma dessas previsões não-relativísticas é a proposta de Bose et al.-Marletto-Vedral, na qual o testemunho da formação de emaranhamento induzido gravitacionalmente poderia ser uma evidência da natureza quântica desse campo. Este trabalho é dividido em duas partes: na primeira, revisamos emaranhamento, não--localidade e contextualidade, e em seguida explicamos a proposta de BMV, bem como sua formulação como um teorema de impossibilidade. Na segunda parte, onde expomos resultados novos, utilizamos um modelo de partículas harmonicamente aprisionadas para mostrar como efeitos relativísticos em potenciais inversamente proporcionais à distância influenciam a formação de emaranhamento. Por fim, propomos a contextualidade como uma possível assinatura de não--classicalidade do campo gravitacional, por meio de uma comparação entre a robustez de emaranhamento e a robustez de contextualidade entre qubits gravitacionalmente acoplados sujeitos à decoerência.
A Relatividade Geral é a teoria que descreve geometricamente a gravitação como consequência da curvatura exercida por conteúdos de matéria e energia no espaço-tempo. Sua validade experimental é robusta, sendo amparada por testes como a curvatura da luz em torno de objetos massivos, a existência de buracos negros e a propagação de ondas gravitacionais. No entanto, a observação de efeitos que indiquem sua natureza quântica ainda é ausente. Do ponto de vista teórico, sua caracterização é bem conhecida, tratando-se de uma teoria quantizável mas não--renormalizável. Experimentalmente, testes que buscam assinaturas quânticas desse campo são de difícil realização, uma vez que o acoplamento gravitacional é comparativamente muito inferior ao de outras interações. Tradicionalmente, a busca de sinais quânticos do campo gravitacional é realizada em regimes de altas energias, manifestando-se em correções quânticas efetivas pós-Newtonianas. Mais recentemente, essas investigações tem sido estendidas ao outro extremo do espectro, o de baixas energias: previsões teóricas não--relativísticas tem se mostrado igualmente interessantes e com possibilidade de amparo em experimentos de pequena escala (table-top). Uma dessas previsões não-relativísticas é a proposta de Bose et al.-Marletto-Vedral, na qual o testemunho da formação de emaranhamento induzido gravitacionalmente poderia ser uma evidência da natureza quântica desse campo. Este trabalho é dividido em duas partes: na primeira, revisamos emaranhamento, não--localidade e contextualidade, e em seguida explicamos a proposta de BMV, bem como sua formulação como um teorema de impossibilidade. Na segunda parte, onde expomos resultados novos, utilizamos um modelo de partículas harmonicamente aprisionadas para mostrar como efeitos relativísticos em potenciais inversamente proporcionais à distância influenciam a formação de emaranhamento. Por fim, propomos a contextualidade como uma possível assinatura de não--classicalidade do campo gravitacional, por meio de uma comparação entre a robustez de emaranhamento e a robustez de contextualidade entre qubits gravitacionalmente acoplados sujeitos à decoerência.
Há tempos procura-se entender como as características da Teoria Quântica e da Relatividade Geral se unem para explicar a física na sua interface. Um dos motivos pelos quais essa é uma tarefa difícil é a discrepância entre as formas de abordar o tempo e a causalidade em cada teoria. Por exemplo, a estrutura causal na relatividade é dinâmica, determinada pela distribuição de massa no espaço-tempo, enquanto que, no formalismo quântico, ela é fixa e deve ser estabelecida a priori. Nesta dissertação, discutimos a noção de ordem indefinida, que aparece pela primeira vez em uma generalização abstrata da Teoria Quântica. Tal generalização é feita com o intuito de eliminar a incompatibilidade da teoria com a Relatividade Geral no que diz respeito à causalidade. Para isso, o formalismo remove a exigência de que haja uma estrutura causal global e, portanto, a ordem entre operações em protocolos não precisa estar bem definida. Um típico exemplo de ordem indefinida é o processo do quantum switch (controle quântico de ordem), que realiza uma superposição quântica da ordem em que duas operações são aplicadas em um sistema. As probabilidades do quantum switch já foram reproduzidas experimentalmente com fótons, em protocolos completamente descritos pela mecânica quântica usual. Já que esses experimentos são compatíveis com a estrutura causal do espaço-tempo, isso gerou incertezas sobre o que se pode concluir da realização de um processo com ordem indefinida dependendo do contexto. Retornaremos às motivações iniciais, apresentando como cenários gravitacionais a energias baixas poderiam fazer surgir ordem indefinida. Nisto estão inclusas as formulações de um quantum switch em um cenário de gravidade quântica e um quantum switch em uma métrica clássica de Schwarzschild. Assim, o quantum switch pode ser usado como uma base comum para discutir diferenças entre os contextos. A última proposta, de um quantum switch em uma métrica clássica, é um trabalho original. Além de ser um exemplo de ordem indefinida, a sua realização na gravidade da Terra é proposta como um teste das previsões da mecânica quântica em espaços-tempos curvos, um regime que até hoje não foi experimentalmente testado.
Mesmo tratando a gravidade classicamente, a Teoria Quântica de Campos em Espaços Tempos Curvos (TQCEC) faz previsões impressionantes sobre o comportamento de campos quânticos na presença de campos gravitacionais. Entretanto, ao mesmo tempo em que nos revela efeitos surpreendentes, a TQCEC levanta uma série de questionamentos. O desenvolvimento de uma teoria na interface entre a teoria da relatividade, a mecânica quântica e a teoria da informação poderá não só lançar uma nova luz em tais questões como também nos permitir descobrir novos efeitos de gravitação quântica de baixas energias. Entretanto, os efeitos que a teoria da relatividade causa na teoria da informação quântica são não triviais já no espaço-tempo de Minkowski. Faz-se necessáaria portanto uma análise cuidadosa de tais efeitos já no contexto da relatividade especial. Sendo assim, estudamos primeiro o comportamento das desigualdades de Bell usando férmions de spin 1/2 e fótons quando os detetores que medem spin e polarização, respectivamente, movemse com certa velocidade. Além disso, usamos o limite de Holevo para estudar sistemas de comunicação quando as partes que trocam informação tem um movimento relativo. Como um desenvolvimento natural, estudamos diversos aspectos da teoria da informação quântica no contexto da teoria quântica de campos e, em particular, do efeito Unruh. Tais resultados nos permitiram prever o comportamento de qubits nas vizinhanças de um buraco negro de Schwarzschild
O objetivo deste artigo é fornecer uma introdução ao uso dos métodos da informação quântica na investigação da interface entre a teoria quântica e a gravitação. Para isso, discutimos os princípios básicos de duas linhas de pesquisa atuais que seguem essa abordagem. A primeira delas estuda um fenômeno conhecido como emaranhamento gravitacionalmente induzido, e busca inferir se o campo gravitacional responsável pela interação entre dois corpos massivos deve ser quantizado ou não. A segunda linha investiga estruturas causais, e com isso visa atestar indiretamente se o espaço-tempo apresenta um comportamento não clássico. Antes de apresentar tais tópicos, revisamos de forma breve alguns conceitos e experimentos fundamentais da informação quântica, como o interferômetro de Mach-Zehnder, o experimento de Stern-Gerlach, desigualdades de Bell e emaranhamento, e a linguagem de circuitos quânticos.
Alguns fenômenos são exclusivos de sistemas quânticos, ou seja, não possuem contrapartida na mecânica clássica. Dois exemplos muito discutidos nos últimos anos são o emaranhamento e a não localidade, ambos relacionados com a existência de estados não separáveis. A superposição de estados quânticos é outra característica que merece destaque. Quando dois eventos são descritos por estados não ortogonais, o fato de estes se sobreporem implica na inexistência de um processo capaz de distingui-los. O princípio da superposição aliado ao processo de medição local em sistemas quânticos compostos resulta em uma nova classe de correlações sem contrapartida no mundo clássico e que vai além do emaranhamento. Essas correlações puramente quânticas recebem o nome de quantumness of correlations, e são o assunto principal desta tese. Estudamos três abordagens diferentes para as correlações puramente quânticas. Primeiramente definimos uma medida geométrica para quantificar essas correlações baseada na norma Schatten-p, a qual contém a norma do traço, norma de Hilbert-Schmidt e norma de operador. Demonstramos que essa medida de correlações é limitada inferiormente pelo emaranhamento, quando este é calculado via testemunhas de emaranhamento. A segunda abordagem das correlações puramente quânticas se deu no contexto de informação acessível e discriminação de estados quânticos. Sabe-se que, devido a superposição, estados quânticos só podem ser perfeitamente distinguidos quando são ortogonais. Sendo assim para um ensemble finito de estados quânticos existe uma quantidade máxima de informação que pode ser extraída pelo processo de medição. A quantidade de informação acessível é limitada pela cota de Holevo, e atingirá a igualdade apenas quando os estados forem ortogonais. Esse limite na quantidade de informação acessível está relacionada a incapacidade de se distinguir estados quânticos pelo processo de medição. Nosso estudo consiste em investigar a capacidade de se extrair informação, bem como em se distinguir os estados de um dado ensemble, quando restringimos o processo de medição a medições projetivas. A restrição a medição projetiva, bem como a generalização a POVMs pode ser abordada via teorema de Naimark, que atesta que uma POVM pode ser descrito como uma medição projetiva em um espaço de dimensão maior. O processo de "embeber" o estado em um espaço de dimensão maior pode ser feito, por exemplo, acoplando uma ancila ao estado. Processo este que não gera correlações entre o sistema e a ancila. Nosso principal objetivo é estudar as correlações nesse contexto para entender como elas são afetadas pelo processo de embeber o estado em um espaço de dimensão maior, uma vez que isto generaliza a forma de medição a ser realizada no sistema. Por fim estudamos correlações quânticas no contexto de partículas indistinguíveis. Obtemos uma medida de emaranhamento para sistemas fermiônicos: a versão fermiônica da robustez generalizada de emaranhamento. Nós também introduzimos o conceito de correlações puramente quânticas para partículas indistinguíveis, obtemos quem são os estados sem correlações puramente quânticas a partir do protocolo de ativação. Como esses estados são um subconjunto dos estados separáveis, podemos garantir quais estados não são emaranhados, pois não possuem nem mesmo correlações puramente quânticas. Calculamos também uma medida dessas correlações para sistemas fermiônicos e bosônicos.
A teoria quântica de campos pode ser vista como um conjunto de métodos e idéias que além de sua importância no estudo das partículas elementares, tem sido amplamente usada em outras áreas. Em especial, ela constitui uma ferramenta indispensável no estudo moderno de transições de fases e fenômenos críticos. A origem dessa constante relação entre a teoria de campos e a matéria condensada deve-se ao fato que, apesar de suas diferenças superficiais, ambas tratam de problemas envolvendo um grande número de graus de liberdade. Assim, não é surpreendente que as mesmas técnicas possam ser úteis nos dois campos. Este trabalho trata de problemas nessas duas áreas e está essencialmente divido em duas partes. A primeira parte é dedicada ao estudo de teorias de campos com uma anisotropia entre o espaço e o tempo, o que implica uma quebra da simetria de Lorentz. Uma das motivações para considerar esse tipo de teoria vem justamente do estudo de transições de fase em sistemas da matéria condensada. Análises do grupo de renormalização com ênfase na possibilidade de restauração da simetria de Lorentz e também uma discussão sobre identidades de Ward são realizadas. Na segunda parte, a atenção é voltada para a mecânica estatística mas com uma abordagem típica da teoria de campos, em especial, voltada para o estudo de transições de fase clássicas e quânticas a partir da versão quantizada do modelo esférico e de sua extensão supersimétrica.
Apresentamos uma derivação ontológica e dinâmica do colapso da função de onda no contexto da Relatividade Geral formulada como Teoria Quântica (RGTQ), a formulação mantém realismo ontológico e continuidade conceitual com a Relatividade Geral. Partindo exclusivamente da estrutura geométrica discreta do espaço-tempo e de suas propriedades elásticas fundamentais, demonstramos que o colapso não constitui um postulado adicional da mecânica quântica nem um efeito fenomenológico externo, mas emerge como consequência necessária da exigência de consistência geométrica na atualização temporal do reticulado causal. Mostramos que superposições quânticas de sistemas massivos implicam bifurcações geométricas do espaço-tempo, associadas a métricas incompatíveis na transição entre fatias de simultaneidade sucessivas. A energia identificada em teorias de Redução Objetiva como energia gravitacional de auto-interação é reinterpretada, na RGTQ, como energia de deformação elástica do reticulado, governada pela impedância geométrica fundamental α. Derivamos um critério quantitativo de viabilidade da evolução temporal e uma expressão fechada para o tempo característico de colapso, sem introdução de parâmetros livres. O colapso da função de onda surge, assim, como o processo físico pelo qual o espaço-tempo elimina ambiguidades geométricas incompatíveis com a definição única da fatia seguinte, preservando a continuidade topológica da variedade causal. A fronteira entre os regimes quântico e clássico torna-se quantitativa e derivada, resolvendo o problema da medida em termos estritamente geométricos. A formulação mantém realismo ontológico, continuidade conceitual com a Relatividade Geral e fornece previsões experimentais explícitas em regimes mesoscópicos.