Nós calculamos a entropia de emaranhamento topológica para um grande conjunto de modelos em dimensão d. Sabe-se que muitos sistemas quânticos podem ser construídos a partir de teorias de gauge na rede. Em dimensões maiores a 2 existem generalizações além das teorias de gauge. Chamadas higher gauge theories, estas são baseadas em generalizações de ordem superior do conceito de grupo. O nosso objeto de estudo é um conjunto grande de modelos d-dimensionais, que são obtidos a partir de teorias Abelianas de higher gauge. Neste trabalho, calculamos a entropia de emaranhamento para dito conjunto de modelos. O nosso formalismo permite fazer a maior parte do cálculo para dimensão arbitrária d. Mostramos que a entropia de emaran- hamento S_A , em uma sub-região A do sistema, é proporcional à log(GSD_Ã ), onde GSD_Ã é a degenerescência do estado fundamental de uma restrição particular do modelo na região A. Quando A tem a topologia de uma bola de dimensão d, a quantidade GSD_Ã conta o número de estados de borda. Neste caso, S_A escala com a área da borda (d 1)-dimensional de A. O resultado exato da entropia que obtemos está em concordância com os resultados conhecidos na literatura.
Nós calculamos a entropia de emaranhamento topológica para um grande conjunto de modelos em dimensão d. Sabe-se que muitos sistemas quânticos podem ser construídos a partir de teorias de gauge na rede. Em dimensões maiores a 2 existem generalizações além das teorias de gauge. Chamadas higher gauge theories, estas são baseadas em generalizações de ordem superior do conceito de grupo. O nosso objeto de estudo é um conjunto grande de modelos d-dimensionais, que são obtidos a partir de teorias Abelianas de higher gauge. Neste trabalho, calculamos a entropia de emaranhamento para dito conjunto de modelos. O nosso formalismo permite fazer a maior parte do cálculo para dimensão arbitrária d. Mostramos que a entropia de emaran- hamento S_A , em uma sub-região A do sistema, é proporcional à log(GSD_Ã ), onde GSD_Ã é a degenerescência do estado fundamental de uma restrição particular do modelo na região A. Quando A tem a topologia de uma bola de dimensão d, a quantidade GSD_Ã conta o número de estados de borda. Neste caso, S_A escala com a área da borda (d 1)-dimensional de A. O resultado exato da entropia que obtemos está em concordância com os resultados conhecidos na literatura.
O caso finito de teorias topológicas de 1-gauge, quando nenhuma simetria global está presente, é bastante bem compreendido e classificado. Nos últimos anos, as tentativas de generalizar as teorias de 1-gauge através das chamadas teorias de 2-gauge abriram a porta para novos modelos interessantes e novas fases topológicas, as quais não são descritas pelos esquemas de classificação anteriores. Nesta tese, vamos além da construção de 2-gauge, e consideramos uma classe de modelos que vivem em maiores dimensões. Esses modelos estão inseridos em uma estrutura de complexos de cadeia de grupos abelianos, forçando a generalizar o conceito usual de configurações de gauge. A vantagem de tal abordagem é que, a ordem topológica fica manifestamente explcita. Isto é feito em ter- mos de uma cohomologia com coeficientes em um complexo de cadeia finita. Além disso, mostramos que a degenerescência do estado fundamental suporta um conjunto conve- niente de números quânticos que indexam os estados e que, além, foram completamente caracterizados. Consequentemente, nós também mostramos que muitos dos exemplos abelianos de teorias de 1 -gauge 2-gauge são recuperados como casos especiais desta construção.
Uma das propriedades mais marcantes de partículas que obedecem a dinâmica quântica é o fato de partículas do mesmo tipo (como dois elétrons, por exemplo) serem indistinguíveis. Em três dimensões, essas partículas podem ser separadas em dois grupo distintos - férmions ou bósons - não havendo uma terceira opção. A razão para isso é topológica, ou seja, depende exclusivamente da topologia do espaço. Em duas dimensões, entretanto, existem partículas que obedecem a regras estatísticas fracionárias, ou estatísticas ainda mais bizarras ditas não-abelianas, em que uma simples troca de dois anyons idênticos representa uma transformação unitária na função de onda do sistema ao invés de uma simples fase. Partículas que obedecem essas regras estatística não-usuais recebem o nome de anyons. Da mesma forma como a topologia do espaço em três dimensões dita as possíveis regras estatísticas que as partículas podem obedecer, a estatística aniônica está fortemente relacionando à topologia do espaço e, portanto, sistemas aniônicas são muitas vezes usados para descrever fases topológicas presentes em alguns sistemas bidimensionais. Neste trabalho apresentaremos alguns aspectos gerais de sistemas aniônicos - livres de modelo - e analisaremos alguns modelos de muitos corpos na rede que permitem descrever anyons como excitação de quasi-partícula. A principal classe de modelo que iremos analisar é a classe do modelo duplo quântico (MDQ) - que é um modelo quântico em (2+1)D cujos graus de liberdade são elementos de um grupo G (finito) vivendo nas arestas de uma rede e cuja dinâmica é descrita por uma hamiltoniana de muitos corpos. O MDQ é um modelo já bem estudado e conhecido na literatura; neste trabalho, porém, será apresentada uma formulação alternativa para o mesmo, a qual desempenha dois papeis importantes nesta tese. O primeiro deles é de mostrar que o MDQ pode ser obtido a partir da deformação de um invariante topológico; o que, por sua vez, ajuda a reconhecer a ordem topológica presente no modelo. O segundo papel importante é mostrar que essa formulação leva também a uma hamiltoniana de muitos corpos que representa uma generalização da hamiltoniana do MDQ. Alguns desses novos modelos permitem descrever sistemas aniônicos que não podem ser descritos pelo modelo duplo quântico usual. Em outras palavras, o modelo generalizado que será apresentado neste trabalho permite descrever diferentes fases topológicas partindo da deformação de um mesmo invariante topológico.
Este trabalho investiga aspectos fundamentais da teoria quântica. Começamos estabelecendo um formalismo independente de teoria para o estudo de teorias físicas, inspirado pelas chamadas teorias probabilísticas generalizadas (GPTs). Nossa abordagem diverge das GPTs tanto em termos de conceitos primitivos quanto na forma como as teorias físicas são compreendidas. Consideramos observável como conceito primitivo e entendemos teorias como formalismos nos quais leis físicas ou empíricas - expressões matemáticas relacionando quantidades físicas que podem ser mensuradas em conjunto - podem ser formuladas. Além dos observáveis, nosso formalismo inclui estados e um mecanismo de atualização de estados como conceitos primitivos. Estados atribuem probabilidades a proposições sobre medições subsequentes de quantidades físicas, enquanto a atualização de estado reconstrói estados para garantir a veracidade de tais proposições. Assim como nas GPTs, nossa análise é restrita a quantidades com um número finito de valores possíveis. Sistemas quânticos de dimensão finita estão dentro do escopo do nosso formalismo. Demonstramos que a estrutura algébrica da mecânica quântica emerge localmente a partir das condições de consistência que fundamentam nossa definição independente de teoria de sistema físico, onde \"localmente\" se refere a aspectos da álgebra (parcial) de observáveis que não envolvem operações entre operadores incompatíveis. Especificamente, mostramos que observáveis possuem norma e espectro; que existe uma relação de compatibilidade para observáveis, juntamente com operações algébricas entre aqueles que são compatíveis; projeções existem e formam um conjunto parcialmente ordenado com álgebras Booleanas locais; observáveis compatíveis dois a dois estão contidos em álgebras de Banach comutativas geradas por um único observável; estados definem funcionais parcialmente lineares no conjunto de observáveis; observáveis admitem decomposição espectral, entre outros. Esses resultados contribuem para a importante linha de pesquisa centrada em derivar o formalismo quântico a partir de suposições simples. Além disso, eles destacam uma diferença fundamental entre nosso formalismo e as GPTs, já que estas últimas são conhecidas por comumente não incluírem operações algébricas e projetores. A emergência local da estrutura algébrica da mecânica quântica tem implicações significativas para o problema das correlações quânticas, ou seja, o problema de se identificar princípios que expliquem as correlações produzidas por sistemas quânticos. Essa estrutura local nos permite provar que princípios importantes que governam as correlações quânticas, como a não-perturbatividade, a não-sinalização, o princípio de Specker, o princípio da exclusividade e o princípio da ortogonalidade local, são inerentemente satisfeitos em nosso formalismo. Consequentemente, nenhuma teoria dentro do escopo da nossa descrição pode violá-los, e as correlações por elas produzidas não podem estar consideravelmente distantes do chamado conjunto quântico. Exemplos notáveis de correlações pós-quânticas, como caixas PR e correlações quase-quânticas, são automaticamente excluídos. Concluímos nosso trabalho abordando o problema das variáveis ocultas. Provamos um teorema de impossibilidade para modelos de variáveis ocultas com base em uma única condição de consistência: o modelo deve atualizar estados via probabilidade condicional, o que, conforme argumentamos, segue de nossa descrição do mecanismo de atualização de estados. Este teorema estabelece uma ligação direta entre a incompatibilidade e a ausência de variáveis ocultas, mostrando que modelos de variáveis ocultas que atualizam estados existem se, e somente se, os observáveis em questão forem dois a dois compatíveis. Com base nisso, analisamos afirmações de cunho ontológico e metafísico tipicamente associadas a contextualidade, não-localidade e psi-ontologia.
Emaranhamento é certamente um dos fenômenos mais fascinantes observados na Natureza, e mesmo após de décadas de pesquisas na teoria de emaranhamento ainda há muito a ser descoberto e entendido. Em particular, ainda há poucos resultados detalhando e caracterizando a estrutura do emaranhamento em sistemas fortemente correlacionados em larga escala, envolvendo um número grande de subsistemas. A forma mais comum de se estudar detalhadamente a estrutura de emaranhamento em estados quânticos tem sido através da otimização de Testemunhas de Emaranhamento (Entanglement Witnesses), otimizadas utilizando-se técnicas algorítmicas como Programação Semidefinida (Semidefinite Programming) aplicada à matrizes. No entanto, esta descrição matricial torna a técnica computacionalmente inviável para sistemas em larga escala devido ao crescimento exponencial da dimensão do espaço de parâmetros a serem otimizados. Todas as técnicas se tornam inviáveis para um número relativamente pequeno de partículas (na ordem de n ~ 10^1). Por estes motivos, Redes Tensoriais (Tensor Networks) têm atraído a atenção de pesquisadores nas últimas décadas por serem formas eficientes de descrever e simular sistemas quânticos compostos de muitas partes, pois são descrições mais naturais e eficientes das correlações quânticas entre os subsistemas. No entanto, pouco tem sido feito para caracterização detalhada do emaranhamento em tais sistemas, e a literatura ainda carece de uma ponte entre os dois formalismos. Neste trabalho, propomos um primeiro pequeno passo rumo ao objetivo de adaptar o formalismo de testemunhas de emaranhamento de forma compatível com a descrição de sistemas quânticos através de redes tensoriais, tornando possível a caracterização de emaranhamento em sistemas de larga escala.
Ordem topológica descreve fases da matéria que não são caracterizadas apenas pelo esquema de quebra de simetria de Landau. Em 2-dimensões ordem topológica é caracterizada, entre outras propriedades, pela existência de uma degenerescência do estado fundamental que é robusta sobre perturbações locais arbitrarias. Com o proposito de entender o que caracteriza e classifica ordem topológica 3-dimensional o presente trabalho apresenta um modelo quântico exatamente solúvel em 3-dimensões que generaliza os modelos em 2-dimensões baseados em teorias de gauge. No modelo proposto o grupo de gauge é substituído por um 2-grupo. A Hamiltonia, que é dada por uma soma de operadores locais, é livre de frustrações. Provamos que a degenerescência do estado fundamental nesse modelo é dado pelo invariante de Yetter da variedade 4-dimensional Sigma × S¹, onde Sigma é a variedade 3-dimensional onde o modelo está definido.
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.