Este trabalho propõe um enquadramento fenomenológico no qual a evolução quântica não ocorre em um espaço de Hilbert fixo, mas em uma família dependente do tempo de espaços de Hilbert crescentes. Motivado por considerações cosmológicas e pela natureza não estacionária do universo, o formalismo substitui a unitariedade global por uma descrição em termos de canais quânticos entre espaços de estados não isomórficos, preservando, no entanto, a unitariedade como uma propriedade local efetiva. É introduzido um postulado de quasi-isomorfia local, que formaliza o sucesso empírico da mecânica quântica padrão em experimentos de curta duração e pequena extensão temporal. Nesse contexto, a unitariedade emerge como uma característica aproximada e localizada da dinâmica, e não como um princípio global fundamental. O crescimento do espaço de estados conduz naturalmente a um mecanismo estrutural de desvio da unitariedade, conceitualmente distinto da decoerência ambiental tradicional. O trabalho oferece uma nova interpretação para a perda de coerência em sistemas quânticos, prevendo o surgimento de fenômenos de leakage estrutural que não podem ser eliminados apenas por melhorias no isolamento ambiental. São discutidas implicações diretas para a correção de erros e para a escalabilidade da computação quântica, e um toy model explícito com crescimento discreto do espaço de Hilbert é apresentado para ilustrar o mecanismo proposto. Este estudo se insere no contexto dos fundamentos da mecânica quântica, com potenciais conexões com cosmologia, informação e a estrutura conceitual da evolução temporal em teorias quânticas.
Este trabalho propõe um enquadramento fenomenológico no qual a evolução quântica não ocorre em um espaço de Hilbert fixo, mas em uma família dependente do tempo de espaços de Hilbert crescentes. Motivado por considerações cosmológicas e pela natureza não estacionária do universo, o formalismo substitui a unitariedade global por uma descrição em termos de canais quânticos entre espaços de estados não isomórficos, preservando, no entanto, a unitariedade como uma propriedade local efetiva. É introduzido um postulado de quasi-isomorfia local, que formaliza o sucesso empírico da mecânica quântica padrão em experimentos de curta duração e pequena extensão temporal. Nesse contexto, a unitariedade emerge como uma característica aproximada e localizada da dinâmica, e não como um princípio global fundamental. O crescimento do espaço de estados conduz naturalmente a um mecanismo estrutural de desvio da unitariedade, conceitualmente distinto da decoerência ambiental tradicional. O trabalho oferece uma nova interpretação para a perda de coerência em sistemas quânticos, prevendo o surgimento de fenômenos de leakage estrutural que não podem ser eliminados apenas por melhorias no isolamento ambiental. São discutidas implicações diretas para a correção de erros e para a escalabilidade da computação quântica, e um toy model explícito com crescimento discreto do espaço de Hilbert é apresentado para ilustrar o mecanismo proposto. Este estudo se insere no contexto dos fundamentos da mecânica quântica, com potenciais conexões com cosmologia, informação e a estrutura conceitual da evolução temporal em teorias quânticas.
Apresentamos uma formulação estrutural da dinâmica física baseada na propagação unitária discreta, na qual a evolução temporal é descrita diretamente por um operador unitário W^=f(H^) associado a um operador estrutural auto-adjunto H^. Partindo da relação entre ação e fase, ϕ=S/ℏ, e da construção variacional de operadores estruturais, mostra-se que a propagação pode ser escrita de forma exata como ação de um núcleo bilocal W(x,y) sobre o estado, em continuidade com desenvolvimentos recentes do programa Ação--Fase. Mostra-se que a decomposição espectral de H^ induz uma diagonalização da propagação unitária, na qual a evolução do estado torna-se multiplicativa na base de autovetores do operador estrutural. Como consequência, a estrutura espectral organiza os modos de propagação do sistema, fornecendo uma descrição na qual a dinâmica é expressa de forma desacoplada entre modos. Evidencia-se que a distinção entre representação nodal e representação espectral emerge naturalmente da estrutura do operador, correspondendo a diferentes decomposições do mesmo estado em bases distintas do mesmo espaço de Hilbert. No caso de invariância translacional, recupera-se como situação particular a decomposição em modos de Fourier. Os resultados apresentados não constituem uma reconstrução completa da mecânica quântica nem uma teoria gravitacional geral. Em particular, não são tratados aspectos de medição, estruturas multipartícula ou formulações covariantes completas. O objetivo do trabalho é mais restrito e preciso: estabelecer uma formulação na qual a dinâmica é determinada pelo operador de propagação e organizada por sua decomposição espectral, fornecendo uma camada estrutural a partir da qual descrições físicas mais completas podem ser desenvolvidas.
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.
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.
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.
Sobre uma interpretação por campo causal da mecânica quântica apresenta uma leitura ontológica mínima do formalismo quântico padrão, baseada na distinção entre matéria localizada e um campo causal responsável pela estrutura de fase, correlação e emaranhamento. O trabalho não propõe modificações dinâmicas nem novos postulados físicos, mas busca tornar explícitas intuições já presentes na literatura de fundamentos, em particular aquelas associadas à evolução unitária, à decoerência e à regra de Born. Interferência, medida e probabilidade são discutidas como consequências relacionais da estrutura global do campo causal, preservando a unicidade do universo e evitando colapsos ontológicos ou interpretações multiversais.
Este trabalho apresenta uma formulação geométrica da mecânica quântica baseada na estrutura de Kähler do espaço projetivo de Hilbert. Partindo dos fundamentos da geometria riemanniana e simplética, mostra-se que o espaço de estados quânticos pode ser interpretado como uma variedade de Kähler, na qual a métrica, a forma simplética e a estrutura complexa coexistem de modo compatível. Nessa perspectiva, a equação de Schrödinger é reinterpretada como um fluxo hamiltoniano no espaço projetivo, e as probabilidades de transição entre estados são descritas em termos de distâncias geodésicas. Além disso, o postulado de colapso e o princípio da incerteza de Heisenberg emergem naturalmente como propriedades diferenciais e métricas desse espaço. Essa abordagem unifica a mecânica quântica e a geometria diferencial em um mesmo formalismo, evidenciando que a quantização não é uma imposição externa à física clássica, mas o desdobramento natural de uma geometria intrinsecamente complexa e simplética. O formalismo desenvolvido oferece ainda uma base conceitual sólida para extensões em teorias de quantização geométrica, coerente e em campos quânticos sobre variedades curvas.