Este manuscrito desarrolla un marco matemático para la descripción de sistemas donde la realidad manifiesta surge como una proyección de una estructura subyacente de mayor dimensionalidad. Se propone que la no-localidad observada en ciertos fenómenos de campo es una consecuencia natural de la dinámica de una onda de coherencia continua. El trabajo proporciona el formalismo necesario para describir la transición entre órdenes implícitos y configuraciones explícitas, utilizando una ley de movimiento basada en la conservación de la fase. Se demuestra cómo este enfoque resuelve paradojas clásicas de interconectividad sin recurrir a mecanismos de comunicación extrínsecos. Por razones de protección de la propiedad intelectual, los operadores de proyección específicos y las constantes de acoplamiento permanecen bajo embargo.
Este manuscrito desarrolla un marco matemático para la descripción de sistemas donde la realidad manifiesta surge como una proyección de una estructura subyacente de mayor dimensionalidad. Se propone que la no-localidad observada en ciertos fenómenos de campo es una consecuencia natural de la dinámica de una onda de coherencia continua. El trabajo proporciona el formalismo necesario para describir la transición entre órdenes implícitos y configuraciones explícitas, utilizando una ley de movimiento basada en la conservación de la fase. Se demuestra cómo este enfoque resuelve paradojas clásicas de interconectividad sin recurrir a mecanismos de comunicación extrínsecos. Por razones de protección de la propiedad intelectual, los operadores de proyección específicos y las constantes de acoplamiento permanecen bajo embargo.
Las fases topológicas de la materia han transformado la manera de clasificar sistemas cuánticos, al introducir caracterizaciones que trascienden el paradigma de orden local de Landau. En sistemas no interactuantes, este fenómeno se entiende en términos de la estructura de bandas electrónicas: los estados de Bloch permiten definir fases geométricas de Berry [1] e invariantes topológicos en el espacio de momentos. Estos invariantes distinguen fases que no pueden conectarse sin cerrar el gap espectral y cuya clasificación puede organizarse en función de las simetrías presentes[2][3]. Al incorporar interacciones, sin embargo, esta descripción deja de ser directamente aplicable. La noción de cuasipartículas bien definidas puede romperse, y con ella la interpretación en términos de bandas. Esto plantea la pregunta fundamental de cómo extender el concepto de topología a sistemas fuertemente correlacionados. En esta charla se discutirán algunas de las ideas generales que permiten abordar este problema, en particular la posibilidad de reformular invariantes topológicos en términos de funciones de Green[4], lo que sugiere una forma de capturar propiedades globales incluso en ausencia de una descripción de partícula independiente. Para sistemas unidimensionales, la bosonización proporciona una herramienta natural para describir las excitaciones colectivas y analizar la estructura de las fases posibles. El objetivo de esta charla será mostrar cómo este enfoque ofrece un marco prometedor para entender fases topológicas en presencia de interacciones, y señalar algunas de las direcciones actuales en las que estas ideas se desarrollan.
El trabajo se estructura en 6 capitulos. El capitulo 1 posee fundamentalmente un caracter de introduccion teorica a las herramientas de campo medio que se usan en los diferentes modelos que se presentan, ademas de introducirse otros conceptos que apareceran a lo largo del trabajo. El capitulo 2 tambien constituye una introduccion teorica en la que se realiza un breve analisis del concepto de la decoherencia y sus implicaciones en la Mecanica Cuantica, poniendo especial enfasis en el problema de la medida y como la introduccion del ambiente permite una posible solucion a dicho problema. En este capitulo se presentara la matriz densidad como herramienta basica de trabajo para estudiar el factor de decoherencia.El capitulo 3 se puede dividir en dos bloques. Un primer bloque dedicado la modelo vibronico U(4) y un segundo bloque dedicado a su limite 2D, el modelo U(3). En ambos bloques se expondran las propiedades algebraicas de los dos modelos asi como las diferentes cadenas de simetria que se obtienen. Estos modelos presentan una QPT y usando el formalismo de estados intrinsecos se estudiara la transicion de fase entre la fase simetrica y la fase no simetrica. Sin embargo, se sabe que este metodo es correcto unicamente en el orden mas alto en el desarrollo en potencias de N, donde N es el numero de bosones. Nosotros nos basaremos en el metodo desarrollado en [15] para ir mas alla de este orden y calcular correcciones de tamano finito a varios observables espectroscopicos. Para ello, se introducira la transformacion de Holstein-Primako_ que proporcionara un hamiltoniano en serie de potencias de N donde unicamente se consideraran los terminos en orden mas alto: N, N1/2 y N0. Despues, mediante el uso de una transformacion de Bogoliubov se conseguira la diagonalizacion del hamiltoniano, con lo que se obtendran expresiones analiticas para el estudio del sistema tanto en la fase simetrica como en la no simetrica. Dichas expresiones analiticas se compararan posteriormente con los calculos numericos obtenidos de resolver el problema exactamente en una base adecuada. Ademas, se llevara a cabo un estudio de escalado del sistema por tamano finito que nos permitira extraer los exponentes criticos de los observables espectroscopicos analizados.El capitulo 4 esta dedicado a otro sistema de dos niveles, el modelo de Lipkin. Este modelo guarda una estrecha relacion con el modelo vibronico tal y como se vera en el capitulo 3. Dicha relacion quedara mas patente con la eleccion que se realizara del estado intrinseco para estudiar el diagrama de fases del modelo vibronico. De hecho podemos afirmar que un modelo vibronico con simetria axial se comporta como un modelo de Lipkin. Por este motivo, todo el estudio que se realice en campo medio para el modelo vibronico sera aplicable al modelo de Lipkin, ya que las expresiones que se obtendran son formalmente analogas. Asi pues, en este capitulo nos centraremos en la influencia que tiene una transicion de fase cuantica sobre el fenomeno de la decoherencia. Ahora bien, se sabe que el citado modelo presenta tanto una QPT como una ESQPT, y dependiendo del valor de los parametros concretos del sistema, la ESQPT puede ser de primer o segundo orden. De modo que el analisis se realizara para ambos tipos de transicion. Para tal proposito, se presenta un sistema constituido por un qubit interactuando con un bano bosonico que vendra descrito por el modelo de Lipkin. El estudio de la decoherencia se realizara tanto empleando las tecnicas mas alla de campo medio desarrolladas en el modelo vibronico, como usando la aproximacion de Tamm-Dancoff (TDA) [28] y TDA a segundo orden. Todos los resultados se compararan una vez mas con la solucion exacta del problema y se analizara la relacion entre la transicion de fase que experimenta dicho sistema con la decoherencia. Ademas se incluira un estudio de escalado por tamano finito del factor de decoherencia.En el capitulo 5 se estudiaran tres modelos que describen un campo bosonico de un unico modo interactuando con un subsistema algebraico basado o bien en el algebra SU(1; 1) o en el SU(2). El modelo SU(1; 1) es un modelo de juguete util para la descripcion de la formacion y disociacion de moleculas diatomicas y atomos independientes [16]. El hamiltoniano SU(2) representa al modelo de Dicke [27] o al modelo de Jaynes-Cummings (JC) [17] (tambien conocido como modelo de Tavis-Cummings [29]). Estos dos ultimos modelos poseen interes en Optica Cuantica y describen a un sistema de atomos susceptibles a ocupar dos niveles interactuando con un campo de radiacion. Mientras que el modelo SU(1; 1) y el modelo de Jaynes-Cummings son integrables, el modelo de Dicke no lo es. Todos ellos son sistemas de dos niveles que presentan tanto una QPT como una ESQPT. Asi pues, en primer lugar se analizaran las transiciones de fase con una aproximacion semiclasica, en particular las relacionadas con las transiciones de fase de estados excitados. Despues se introducira el concepto de quantum quench, analizandose la influencia que tiene una ESQPT sobre este. Por ultimo, relacionaremos la presencia de caos cuantico en el modelo no integrable de Dicke con los precursores de la ESQPT en el mismo.En el ultimo capitulo se presentara un resumen y las conclusiones de los principales resultados de este trabajo.
En esta Tesis doctoral abordamos el estudio de la Dinámica Cuántica, concentrándonos en el subtema de los sistemas híbridos cuántico-clásicos, prestando especial atención al problema del límite clásico de este tipo de sistemas. El objetivo es esclarecer la transición al mundo clásico desde un escenario semicuántico. En los modelos semicuánticos examinados interactúan grados de libertad cuánticos y clásicos. Para este análisis, empleamos herramientas dinámicas y cuantificadores de la Teoría de la Información. En primer lugar, presentamos las ecuaciones dinámicas que rigen la evolución de los sistemas semicuánticos tanto en el régimen conservativo como disipativo. Identificamos un invariante de movimiento relacionado con el Principio de Incerteza. Dicho invariante surge de manera natural de las ecuaciones dinámicas de los sistemas estudiados y sirve como variable principal para analizar la convergencia al límite clásico correspondiente. Este primer apartado requirió el uso de herramientas dinámicas como las secciones de Poincaré para verificar la geometría subyacente a la emergencia del mundo clásico a través del invariante de movimiento. Esta herramienta nos permitió identificar tres zonas principales del proceso de convergencia del sistema semicuántico a su contraparte clásica, las cuales son la zona cuasicuántica, la zona de transición y la zona del límite clásico. La zona de transición la relacionamos con los sistemas mesoscópicos. Adicionalmente, con las mismas secciones de Poincaré, logramos constatar la conservación del Principio de Incerteza en el sistema semicuántico. En segundo lugar, introdujimos herramientas de la teoría de la información para caracterizar la estructura de las transiciones de fase dinámicas. Empleamos la entropía de Shannon y dos formulaciones de complejidad estadística: la complejidad de López-Ruiz–Mancini–Calbet (LMC) y la complejidad de Jensen–Shannon (JSC). Además, utilizamos la entropía de Tsallis como un cuantificador alternativo para asegurar la robustez de los resultados. Para extraer las distribuciones de probabilidad de las series temporales del sistema, aplicamos el método de permutación de Bandt-Pompe. Este enfoque permitió determinar las tres zonas del proceso de convergencia del sistema semicuántico a su contraparte clásica con una precisión que supera las limitaciones de las herramientas puramente dinámicas, que a menudo presentan límites borrosos en sistemas regulares. Además, el análisis basado en la primera y segunda derivada de las medidas entrópicas respecto a un parámetro adimensional que relaciona la energía total del sistema y el invariante de movimiento, nos permitió detectar puntos de inflexión y extremos locales que definen rigurosamente las delimitaciones de las zonas. Posteriormente, como tercer paso, estudiamos el límite clásico mediante un esquema de máxima entropía (Maxent). Identificamos que la clausura de la álgebra de Lie de los observables seleccionados es la condición estructural clave que garantiza la consistencia de la evolución y el éxito del procedimiento de límite clásico. Demostramos analíticamente que el operador de máxima entropía colapsa hacia un proyector de rango uno ("purificación") en el límite para una clase general de Hamiltonianos cuadráticos con acoplamiento. Es vital aclarar que este comportamiento no constituye decoherencia inducida por el entorno o reducción del estado por medición, sino que refleja una convergencia inducida por restricciones a nivel de los momentos estadísticos seleccionados. Este marco formaliza la noción del límite clásico como un proceso de tiempo finito y a nivel de momentos, diferenciándose claramente de los estudios numéricos previos. La contribución fundamental consiste en mostrar cómo las ecuaciones de movimiento clásicas no lineales emergen consistentemente dentro de un marco de operadores de máxima entropía bajo condiciones de clausura algebraica. Finalmente, aplicamos cuantificadores de información en un sistema complejo de gran impacto social: la propagación del COVID-19. Empleamos la entropía de permutación de Shannon, la complejidad de Jensen–Shannon y la información mutua para analizar series temporales de contagios y muertes a nivel global. A través del uso de ventanas deslizantes, pudimos capturar transiciones dinámicas y variaciones locales que permanecen ocultas en análisis basados en la serie completa. Uno de los hallazgos más relevantes fue la identificación de una heterogeneidad marcada en la mortalidad entre países, frente a una mayor homogeneidad en los patrones de contagio dentro de regiones geográficamente cercanas. Adicionalmente introdujimos un nuevo plano informacional: información mutua versus entropía para caracterizar la información compartida entre la evolución local de un país y la dinámica global de la pandemia. Esta herramienta permite identificar países fuertemente sincronizados con la tendencia mundial y aquellos que exhiben comportamientos independientes, ofreciendo una métrica dinámica para la toma de decisiones en salud pública.
El incipiente campo de los ordenes topologicos ha sido ampliamente estudiado tanto por las comunidad de fisica de la materia condensada como por la de simulacion cuantica. Sin embargo, es poco lo que se conoce sobre el comportamiento de estos ordenes topologicos en presencia de ruido externo o efectos disipativos.
En la primera parte de esta tesis, hemos estudiado como los estados de borde de un aislante topologico se vuelven intestables cuando se ponen en interaccion con banos termicos. Motivados por estos resultados, hemos generalizado la nocion de aislante topologico de tipo Chern para el caso de dinamicas Liouvillianas. Estas dinamicas caracterizan sistemas en presencia de disipacion que no puede ser descritos por un Hamiltoniano. Para alcanzar este objetivo de generalizacion hemos definido un nuevo indicador topologico que esta relacionado con la conductividad Hall cuantica a temperatura finita. Este formalismo describe tambien el caracter mixto de los estados de borde del aislante topologico. A modo de ejemplo, hemos estudiado modelos explicitos de aislantes topologicos acoplados a distintos canales de disipacion.
Por otra lado, hemos encontrado nuevas fases cuanticas y topologicas que permanecen cuantizadas a temperatura finita. La construccion de las mismas esta basada en la fase de Uhlman, que es una fase geometrica cuantica definida para matrices densidad; utilizadas estas ultimas para describir estados cuanticos con ruido. Empleando esta nueva herramienta, hemos sido capaces de caracterizar aislantes y superconductores topologicos a temperatura finita tanto en una como en dos dimensiones espaciales. Desde el punto de vista experimental, hemos propuesto un protocolo (independiente del estado del sistema) para medir la fase de Uhlmann topologica en un contexto de simulacion cuantica.
En la segunda parte de la tesis hemos centrado nuestros esfuerzos en el estudio de sistemas topologicos que presentan efectos de largo alcance. Los ordenes topologicos de tipo symmetry-protected han emergido tradicionalmente a partir de interacciones de corto alcance. Sin embargo, se desconoce en gran medida el rol que juegan las interacciones de largo alcance en la fisica de estos sistemas topologicos.
En esta parte de la tesis hemos analizado como las fases topologicas superconductoras se ven afectadas por la inclusion de acoplos de largo alcance. De manera muy resenable, hemos encontrado nuevas quasi-particulas topologicas debido a las interacciones de largo alcance, que no estaban presentes en modelos de corto alcance. Se trata de fermiones de Dirac no-locales protegidos por la topologia del propio sistema. Ademas, hemos estudiado como los invariantes topologicos se ven modificados por la presencia de efectos de largo alcance.
Por ultimo, en la seccion de apendices de esta tesis, hemos utilizados diversos metodos numericos para estudiar transiciones de fase cuanticas inducidas por disipacion. De esta manera, hemos considerado sistemas cuanticos con un termino disipativo que conduce el sistema a un estado estacionario de no equilibrio. En particular, hemos demostrado que la inclusion de flucturaciones de corto alcance en los sistemas fuera del equilibrio, modifica significativamente la topologia del diagrama de fases. Este es un hecho que por el contrario no se observa en la termodinamica de equilibrio.
El presente volumen reúne tres ensayos que abordan, desde registros distintos perocomplementarios, una misma cuestión de fondo: la relación entre correlación, causalidad yaccesibilidad en la descripción de sistemas físicos y conceptuales complejos. Aunque los textosque lo componen se concibieron originalmente de manera independiente, su reunión respondea una intención común: explorar hasta qué punto ciertas tensiones, paradojas y límitesexplicativos emergen no de inconsistencias en las teorías existentes, sino del uso implícito deconceptos fuera de los dominios en los que resultan operativos.El libro no propone una teoría física unificada ni introduce nuevos postulados fundamentales.Tampoco pretende resolver de manera definitiva los problemas que aborda. Su objetivo es máslimitado y preciso: clarificar marcos, delimitar ámbitos de validez y separar niveles dedescripción que con frecuencia se superponen de forma acrítica en el discurso científico yfilosófico contemporáneo.El primer bloque, TCICF (The Coherent Informational Correlation Field), se sitúa en unregistro científico–teórico. Introduce un marco informacional efectivo destinado a describir laestructura de las correlaciones y sus límites de accesibilidad sin modificar las teorías físicasestablecidas. Se trata de un enfoque deliberadamente conservador, que emplea herramientasestándar de la teoría de la información y modelos estocásticos mínimos para articular ladistinción entre coherencia informacional global y correlaciones operacionalmente accesibles.Este bloque no formula afirmaciones ontológicas y no debe interpretarse como una teoríafundamental.El segundo bloque, Más allá de la propagación causal, adopta un registro conceptual ymetodológico. Su propósito es examinar críticamente el alcance explicativo de la noción depropagación causal espaciotemporal, mostrando que dicha noción, aun siendo indispensable enmuchos contextos, no agota la descripción de todos los fenómenos correlacionales. Este ensayono introduce nuevo formalismo ni cuestiona la validez de la causalidad en su dominio propio;se limita a explorar sus límites y a señalar cuándo su aplicación puede resultar conceptualmenteinsuficiente.El tercer bloque, TCIC, se mueve en un registro metafísico y ontológico, en el sentido másrestringido del término. A partir de las distinciones establecidas en los bloques anteriores, esteensayo aborda el estatuto de nociones como realidad, explicación y paradoja. Su objetivo noes reemplazar marcos científicos, sino desplazar ciertas formulaciones problemáticas,mostrando cómo muchas paradojas clásicas y contemporáneas surgen al tratar comofundamentales conceptos que son, en realidad, emergentes o dependientes de régimen. El anexofinal desarrolla explícitamente este desplazamiento conceptual en relación con paradojasconocidas. Cada uno de los tres bloques mantiene su introducción propia y puede leerse de maneraindependiente. El lector no está obligado a aceptar las premisas de un bloque para abordar lossiguientes. La progresión propuesta —desde un marco informacional efectivo, pasando por unacrítica de la causalidad como intuición universal, hasta un análisis ontológico de lasparadojas— no debe entenderse como una demostración encadenada, sino como una secuenciade desplazamientos conceptuales.Este libro se sitúa deliberadamente en la intersección entre física, teoría de la información yfilosofía, pero no pertenece de manera exclusiva a ninguno de estos campos. Su intención noes expandir el alcance de la ciencia más allá de sus límites, ni reducir la reflexión conceptual aformalismo técnico, sino hacer explícitas las fronteras entre estructura, acceso y significado, yexplorar qué ocurre cuando dichas fronteras se confunden.En este sentido, el volumen no aspira a cerrar debates, sino a reformularlos con mayorprecisión. Si logra clarificar el estatuto de ciertas preguntas —y, en algunos casos, mostrar porqué determinadas respuestas resultan inapropiadas— habrá cumplido su propósito.
En esta tesis se estudia la dinámica de no equilibrio de sistemas cuánticos aislados de muchos cuerpos. El protocolo de no equilibrio estudiado es el de un quench cuántico, es decir, una perturbación abrupta al sistema que se produce al variar instantáneamente uno de los parámetros del Hamiltoniano. Estamos particularmente interesados en las escalas de tiempo y en los mecanismos de relajación de los sistemas cuánticos aislados. Para atacar este problema utilizamos una variedad de técnicas analíticas para indagar diversos modelos. En el Capítulo 2 utilizamos la bosonización en una dimensión para estudiar la relajación por dephasing (el mecanismo que domina a tiempos cortos) en un sistema de fermiones unidimensionales con interacciones de corto y largo alcance. En el Capítulo 3 investigamos la formación de estados metaestables de tiempos cortos (estados pretermalizados) como fruto de la evolución por dephasing en un sistema de fermiones en dos dimensiones usando bosonización multidimensional. En el Capítulo 4 deducimos ecuaciones de movimiento para funciones de correlación de pocos puntos en sistemas débilmente interactuantes utilizando el formalismo del operador proyección. En el Capítulo 5 utilizamos estas ecuaciones para analizar la dinámica de tiempos largos de un sistema unidimensional de fermiones cerca del punto integrable X X Z . En este Capítulo también estudiamos la dinámica de un sistema unidimensional de bosones usando la aproximación truncada de Wigner (TWA por sus siglas en inglés), una aproximación válida en el límite semiclásico. Los hallazgos de nuestro trabajo pueden enunciarse de manera suscinta: cuando los canales de relajación del sistema son escasos y para energías lo suficientemente bajas emergen estados metaestables entre el estado inicial y el estado final de la evolución. Éstos pueden tener vidas medias muy grandes y obturar completamente la observación del equilibrio térmico en simulaciones numéricas o en experimentos. Los estados metaestables surgen como resultado del dephasing entre ciertos modos cuasilibres del sistema. Además, tales estados estacionarios admiten una descripción estadística en términos de un ensamble de Gibbs generalizado que toma en cuenta todas las cantidades conservadas del modelo efectivo de tiempos cortos. A tiempos mayores las colisiones inelásticas llevan al equilibrio térmico final. En el Capítulo 6 se detallan las conclusiones de nuestro trabajo y diversas perspectivas abiertas.