A Geometria da informação promove uma investigação da estrutura geométrica de variedades estatísticas, fornecendo uma série de elucidações em áreas que vão desde ciências da informação até ciências físicas, além de resultados aplicáveis a problemas como os de inferência estatística. Neste texto, vamos apresentar a estrutura dualística (métrica de Fisher, ±α-conexões) na variedade de probabilidades clássicas vinda de f-divergências globalmente definidas por funções convexas. Vamos então estender este formalismo para produzir o seu análogo quântico, obtendo uma família de métricas de Fisher não comutativas. Em seguida, relacionamos estas métricas com as métricas monotônicas permitidas na mecânica quântica pelo do Teorema de Morozova-Chentsov-Petz via conexão operadores função convexa e monotônica. Por fim, mostramos uma aplicação das técnicas geométricas em um problema de inferência estatística, onde calcularemos correções de ordem superior na cota de Cramér-Rao para um estimador de um parâmetro a partir da estrutura geométrica do espaço de Hilbert adjacente, clássico ou quântico, observando as intersecções deste processo com os resultados anteriormente apresentados.
A Geometria da informação promove uma investigação da estrutura geométrica de variedades estatísticas, fornecendo uma série de elucidações em áreas que vão desde ciências da informação até ciências físicas, além de resultados aplicáveis a problemas como os de inferência estatística. Neste texto, vamos apresentar a estrutura dualística (métrica de Fisher, ±α-conexões) na variedade de probabilidades clássicas vinda de f-divergências globalmente definidas por funções convexas. Vamos então estender este formalismo para produzir o seu análogo quântico, obtendo uma família de métricas de Fisher não comutativas. Em seguida, relacionamos estas métricas com as métricas monotônicas permitidas na mecânica quântica pelo do Teorema de Morozova-Chentsov-Petz via conexão operadores função convexa e monotônica. Por fim, mostramos uma aplicação das técnicas geométricas em um problema de inferência estatística, onde calcularemos correções de ordem superior na cota de Cramér-Rao para um estimador de um parâmetro a partir da estrutura geométrica do espaço de Hilbert adjacente, clássico ou quântico, observando as intersecções deste processo com os resultados anteriormente apresentados.
Resumo A teoria da informação quântica revolucionou nossa compreensão sobre os limites fundamentais do processamento de informação, revelando que a mecânica quântica oferece vantagens computacionais e de comunicação inatingíveis por seus análogos clássicos. O cerne dessa revolução reside na natureza peculiar dos estados quânticos e suas interações. Este artigo explora a intrínseca estrutura geométrica dos espaços de estados quânticos, tanto puros quanto mistos, buscando caracterizar as métricas que quantificam a distinguibilidade entre eles. Iniciamos com uma revisão do espaço de Hilbert e a representação de estados, para então mergulhar na derivação e análise de métricas cruciais como a de Fubini-Study para estados puros e a de Bures-Uhlmann para estados mistos. Discutimos suas propriedades fundamentais, incluindo monotonicidade sob operações quânticas e conexões com a informação de Fisher quântica. Adicionalmente, exploramos a relevância dessas estruturas métricas para a teoria do transporte ótimo quântico, oferecendo uma perspectiva de como a geometria informa sobre a dinâmica e a manipulação de informação quântica. Os resultados destacam a profunda interconexão entre geometria diferencial, teoria da informação e mecânica quântica, pavimentando o caminho para o desenvolvimento de novas ferramentas para a computação e comunicação quântica.
Desde a publicação do problema de Einstein-Podolsky-Rosen e da resposta de John Bell, houve um extenso esforço para compreender e caracterizar as formas pelas quais a mecânica quântica se afasta da física clássica. De forma complementar, uma questão relacionada é entender como o mundo clássico emerge das leis quânticas. Nesta tese, inicialmente revisamos a estrutura matemática das teorias de probabilidade generalizadas para descrever as estatísticas que podem surgir de um experimento físico, quântico ou não, e definimos a contextualidade generalizada como uma noção de não-classicalidade. Em seguida, investigamos a tarefa de comunicação de discriminação de estados no contexto das teorias de probabilidade generalizadas, dando atenção especial ao caso quântico. Finalmente, a principal contribuição deste trabalho é mostrar que a geometria do espaço de estados de uma teoria de probabilidade generalizada impõe naturalmente restrições sobre o quão bem tarefas de discriminação de estados podem ser realizadas. Isso é feito por meio do estabelecimento de cotas inferiores para a probabilidade de erro ótima das tarefas de discriminação de estados. Ademais, aplicamos estas cotas para obter teoremas que relacionam contextualidade generalizada a tarefas de discriminação de estados, bem como para analisar o efeito de tais tarefas na emergência da objetividade via estruturas de spectrum broadcast.
brilhantes.Agradeço por todos os momentos de descontração e principalmente pelo futebol.Aos meus colegas e amigos do MathFoundQ, pelas ótimas discussões.Em especial, agradeço ao Marcelo, pelos importantes ensinamentos, e ao Pedro, Carlos Humberto e Carlos de Gois pela essencial colaboração e amizade.Por fim, agradeço a todos aqueles que não foram citados, mas que de alguma forma exerceram alguma influência positiva. ResumoA mecânica quântica é fundamentalmente definida por meio de seu formalismo matemático: espaços de Hilbert, funções de onda e operadores.No entanto, outras teorias físicas, tal como a relatividade especial, podem ser formuladas por meio de princípios físicos.Um dos mais importantes problemas em fundamentos de mecânica quântica é, então, a procura por um princípio físico que seja capaz de destacar a mecânica quântica de teorias probabilísticas mais gerais.Com esse propósito, muitos princípios vem sendo propostos recentemente dentre os quais está o princípio da causalidade da informação.Em linhas gerais, este princípio estabelece o seguinte: se uma parte, Alice, envia uma mensagem à outra parte, Bob, o ganho potencial de informação de Bob é limitado pela informação contida na mensagem, mesmo quando recursos não-locais, tal como estados quânticos emaranhados, são permitidos.Foi mostrado que a mecânica quântica obedece o princípio da causalidade da informação, entretanto, não se sabe se todas as teorias que permitem recursos supra-quânticos o violam, geralmente devido à dificuldade de encontrar critérios matemáticos que formalizem a ideia por trás do princípio.Recentemente, uma nova abordagem, a qual combina teoria da causalidade, teoria da informação clássica e geometria convexa, foi proposta como uma ferramenta poderosa para encontrar tal critério.Nesta dissertação, estudamos em detalhes a formulação acerca do princípio da causalidade da informação.Desta forma, apresentamos sua formulação matemática e conceitual, bem como apresentamos a teoria matemática relacionada à mais recente abordagem informacional-geométrica.Além disso, investigamos algumas perguntas em aberto dentro desse contexto e aplicamos esta nova abordagem informacional a fim de formular novos critérios matemáticos para o princípio da causalidade da informação em novos cenários e investigar como tal critério é capaz de excluir teorias não-locais supra-quânticas.
As últimas décadas testemunharam intensa atividade de pesquisa teórica e experimental visando compreender o conceito do tempo na mecânica quântica. Este tema desencadeou significante progresso na busca por dispositivos mais rápidos e eficientes no processamento de informação e implementação de tecnologias de comunicação. Motivados pela pergunta quão rápido um sistema quântico evolui sob uma dada dinâmica?, tais avanços levaram a formulação do chamado limite quântico de velocidade ou quantum speed limit, (QSL), i.e., um limite inferior definindo o tempo mínimo de evolução entre estados quânticos distintos. Diversos resultados reportaram QSLs obtidos via tratamentos diferentes e aparentemente desconexos, muitas vezes sob configurações específicas, que deixaram uma lacuna fundamental à resposta da questão geral colocada anteriormente. Neste projeto investigamos como a não-unicidade de uma medida de distinguibilidade de operadores densidade definida no espaço de estados quânticos influencia o QSL e pode ser explorada no intuito de obter limites inferiores mais robustos no tempo de evolução de estados arbitrários. Em particular, baseando-nos no formalismo da geometria da informação, estabelecemos uma família infinita de QSLs válidos para evoluções unitárias e não-unitárias. Este trabalho se propõe unificar e generalizar resultados existentes sobre QSLs na literatura, além de fornecer exemplos de limites mais precisos do que aqueles baseados na informação de Fisher convencional. Em termos físicos, esta investigação é a primeira a destacar o papel das populações e coerências quânticas no cálculo e saturação dos QSLs. Nossos resultados podem encontrar aplicações na otimização de protocolos em computação quântica e metrologia, além de fornecer novos pontos de vista em investigações fundamentais da termodinâmica quântica.
A teoria de informação e computação quântica é uma área de pesquisa que vem crescendo de maneira acentuada nos últimos anos devido aos inúmeros avanços tecnológicos que a acompanham. Neste mestrado começamos nossos estudos nesta área de pesquisa onde nos introduzimos e aprofundamos em seus aspectos intrigantes e peculiares. Dada nossa formação inicial na área de ciências da computação, inicialmente nos dedicamos a entender os aspectos fundamentais da mecânica quântica, assim como da teoria de informação e computação quântica. Focamos principalmente nos sistemas quânticos abertos, visto que o maior obstáculo a ser superado para o desenvolvimento destes computadores é o efeito deletério do meio ambiente. A princípio, concentramos nossos estudos nos ditos processos não-Markovianos, que apresentam efeitos de memória. Aprendemos sobre as novas medidas de não-Markovianidade, principalmente as medidas baseadas na dinâmica do emaranhamento e na dinâmica da informação mútua. Conseguimos publicar nosso primeiro resultado, onde provamos a inequivalência destas duas medidas de não-Markovianidade. De fato, mostramos que tais medidas, em geral, podem discordar sobre o tipo de processo dissipativo, sendo que uma pode reconhecê-lo como Markoviano enquanto outra pode reconhecê-lo como não-Markoviano. Como mostramos, esta inequivalência está diretamente relacionada com o refluxo de informação do meio ambiente para o sistema, e como mensuramos tal informação nestas duas medidas distintas de não-Markovianidade. Finalmente, na fase final de nossos estudos, tivemos como objetivo encontrar um meio de otimizar o controle das operações lógicas. Especificamente, trabalhamos com um método numérico utilizado em sistemas fechados para otimizar sistemas abertos Markovianos. Observamos que a eficácia deste método depende do tipo e intensidade da interferência do ambiente e das condições iniciais do sistema, obtendo melhores resultados em casos específicos.
Resumo A interseção entre a geometria não-comutativa (GNC) e a teoria da informação quântica representa um campo fértil para a compreensão das estruturas fundamentais da física quântica. Este artigo explora a aplicação de conceitos de métricas não-comutativas, especificamente aquelas derivadas de tripletos espectrais, para analisar a natureza geométrica do emaranhamento quântico em sistemas de álgebras de operadores. Partindo da formulação clássica de Alain Connes para a distância não-comutativa, propomos uma abordagem para construir operadores de Dirac que codificam as interações entre subsistemas, permitindo a derivação de uma métrica intrínseca no espaço de estados quânticos. Investigamos como esta métrica, ao ser aplicada a estados emaranhados e separáveis, pode fornecer uma nova perspectiva sobre a quantificação e caracterização do emaranhamento. Demonstramos, através de um arcabouço formal, que as propriedades de um dado tripleto espectral, particularmente a escolha do operador de Dirac, são cruciais para a discriminação geométrica entre diferentes classes de correlações quânticas. Os resultados sugerem que a GNC oferece ferramentas robustas para desvendar a topologia e a geometria dos espaços de estados quânticos, abrindo caminhos para o desenvolvimento de novas medidas de emaranhamento e para uma compreensão mais profunda da gravidade quântica e da própria estrutura do espaço-tempo na escala quântica.