In this thesis, we study some foundational aspects of detector models in quantum field theory (QFT) related to signaling and localization, and we analyze certain frictions with relativistic causality. We characterize the spatiotemporal information that can be extracted from the field using various detector models in different regimes and we define a signaling estimator, based on quantum metrology, that can be used to quantify how much signaling can be transmitted reliably through the quantum field. We analyze ‘impossible measurements’ scenarios in which the microcausality condition in QFT is not sufficient for blocking superluminal signaling between multiple detectors coupled to the field. Further, since QFT does not admit a straightforward particle or field ontology, we ask: what do detectors detect? We answer this question by interpreting the detector’s response in different regimes, for single-particle wavepacket states or coherent states of the field. In the weak coupling regime, we demonstrate in detail how detector models can be used to save particle-like phenomenology, related to the phenomenon of resonance and ‘time-of-arrival’. In the strong coupling regime, we demonstrate how a continuous pointer variable can get correlated with smeared field time-averages. Finally, adapting the formalism of the quantum Brownian motion, we develop an improved field-detector interaction model that is exactly solvable and can be used to characterize the weak, strong and intermediate regime. Apart from an improved description of field measurements and resonance, this models clearly demonstrates the modulation of particle-field duality by a single tunable parameter (the coupling strength), which is a novel feature that is in principle experimentally accessible.
In this thesis, we study some foundational aspects of detector models in quantum field theory (QFT) related to signaling and localization, and we analyze certain frictions with relativistic causality. We characterize the spatiotemporal information that can be extracted from the field using various detector models in different regimes and we define a signaling estimator, based on quantum metrology, that can be used to quantify how much signaling can be transmitted reliably through the quantum field. We analyze ‘impossible measurements’ scenarios in which the microcausality condition in QFT is not sufficient for blocking superluminal signaling between multiple detectors coupled to the field. Further, since QFT does not admit a straightforward particle or field ontology, we ask: what do detectors detect? We answer this question by interpreting the detector’s response in different regimes, for single-particle wavepacket states or coherent states of the field. In the weak coupling regime, we demonstrate in detail how detector models can be used to save particle-like phenomenology, related to the phenomenon of resonance and ‘time-of-arrival’. In the strong coupling regime, we demonstrate how a continuous pointer variable can get correlated with smeared field time-averages. Finally, adapting the formalism of the quantum Brownian motion, we develop an improved field-detector interaction model that is exactly solvable and can be used to characterize the weak, strong and intermediate regime. Apart from an improved description of field measurements and resonance, this models clearly demonstrates the modulation of particle-field duality by a single tunable parameter (the coupling strength), which is a novel feature that is in principle experimentally accessible.
This thesis is a contribution to the debate on (a) fully understanding and describing the communication between remote systems through quantum fields, and (b) constructing a theoretical model for accurately describing the information transmission, which does not lead to a violation of causality. To this end, we studied the system of two localized detectors (oscillators) interacting through a mass-less scalar quantum field in a vacuum state via an Unruh-DeWitt coupling. This system admits an exact solution is providing a good model for addressing fundamental issues in particle-field interactions, causality, and locality in quantum field measurements that are relevant to proposed quantum experiments in space. Our analysis of the exact solution led to the following results. (i) Common approximations used in the study of analogous open quantum systems fail when the distance between the detectors becomes of the order of the relaxation time. In particular, the creation of correlations between remote detectors is not well described by ordinary perturbation theory and the Markov approximation. (ii) There is a unique asymptotic state that is correlated; it is not entangled unless the detector separation is of the order of magnitude of the wavelength of the exchanged quanta. (iii) The evolution of seemingly localized observables is non-causal. The latter is a manifestation of Fermi’s two-atom problem, albeit in an exactly solvable system. We argue that the problem of causality requires a re-examination of the notion of entanglement in relativistic systems, in particular, the physical relevance of its extraction from the quantum vacuum.
Pointlike systems coupled to quantum fields are often employed as toy models for measurements in quantum field theory. In this paper, we identify the field observables recorded by such models. In the case of detector models that work in the strong coupling regime, we show that the detector's pointer variable is correlated with time-extended smeared field amplitudes, and it is insensitive to the particle content of the field's state. Then, we show that detector models that work in the weak coupling regime can account for particle phenomenology, such as the existence of a particlelike time-of-arrival and resonant behavior. Finally, we develop an improved field-detector interaction model, adapting the formalism of quantum Brownian motion, that is exactly solvable. This model confirms the association of field and particle properties in the strong and weak coupling regimes, respectively. Further, it can also describe the intermediate regime, in which the field-particle characteristics ``merge.'' In contrast to standard perturbation techniques, this model also recovers the relativistic Breit-Wigner resonant behavior in the weak coupling regime. The modulation of particle-field duality by a single tunable parameter is a novel feature that is, in principle, experimentally accessible.
Η έννοια του σωματιδίου είναι εξαιρετικά επιτυχημένη ως φυσική περιγραφή και ταυτόχρονα προβληματική ως θεμελιώδης έννοια μιας σχετικιστικής κβαντικής θεωρίας. Στο εργαστήριο καταγράφουμε εντοπισμένα γεγονότα ανίχνευσης, ενώ η κβαντική θεωρία πεδίου περιγράφει πεδία και τις διεγέρσεις τους. Η μετάβαση από το ένα στο άλλο δεν είναι ούτε αυτονόητη ούτε απλώς τεχνική. Ιδιαίτερα όταν ο χρόνος της ανίχνευσης αποτελεί ο ίδιος μετρούμενη ποσότητα, η συνήθης εικόνα μιας κβαντικής κατάστασης που διαθέτει εκ των προτέρων συγκεκριμένες παρατηρήσιμες ιδιότητες αποδεικνύεται ανεπαρκής.Η παρούσα διατριβή μελετά αυτήν ακριβώς τη μετάβαση, δηλαδή τη διαδικασία της κβαντικής μέτρησης σε σχετικιστικά συστήματα, με έμφαση στον εντοπισμό, τον χρόνο άφιξης και στον τρόπο με τον οποίο η πληροφορία ενός κβαντικού πεδίου μετατρέπεται σε καταγεγραμμένο γεγονός ανίχνευσης. Η ανάλυση βασίζεται στη μέθοδο των Κβαντικών Χρονικών Πιθανοτήτων (Quantum Temporal Probabilities, QTP), στην οποία οι πιθανότητες μέτρησης δεν θεωρούνται εγγενείς ιδιότητες του συστήματος, αλλά προκύπτουν από την αλληλεπίδρασή του με έναν φυσικό ανιχνευτή και εκφράζονται μέσω συναρτήσεων συσχέτισης άνισων χρόνων της κβαντικής θεωρίας πεδίου, αντιμετωπίζοντας τον χρόνο ως μια τυχαία μακροσκοπική μεταβλητή.Το πλαίσιο εφαρμόζεται σε διαφορετικές κατηγορίες σχετικιστικών συστημάτων. Στην περίπτωση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μελετάται η φωτοανίχνευση και αναδεικνύονται συνεισφορές στην πιθανότητα ανίχνευσης οι οποίες εκτείνονται πέρα από την τυπική περιγραφή του Glauber, με ιδιαίτερη έμφαση σε σύμφωνες και συμπιεσμένες καταστάσεις και στη διάκριση μεταξύ εγγύς και μακρινού πεδίου. Για σωματίδια Dirac εξετάζεται η εξάρτηση της πιθανότητας ανίχνευσης και του χρόνου άφιξης από το σπιν και από τη δομή του πυρήνα απόκρισης του ανιχνευτή. Τέλος, για σύνθετα σχετικιστικά σωματίδια με εσωτερικούς βαθμούς ελευθερίας μελετώνται οι κατανομές ενέργειας και ορμής, τα φαινόμενα συμβολής μεταξύ διαφορετικών μαζικών συνιστωσών και οι αντίστοιχες πιθανότητες χρόνου άφιξης.Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι σε σχετικιστικές κβαντικές μετρήσεις ο εντοπισμός, ο χρόνος άφιξης και, γενικότερα, η πληροφορία που αποδίδεται σε ένα σωματίδιο δεν μπορούν να αποσυνδεθούν από τη φυσική διαδικασία της ανίχνευσης. Η μετρούμενη πιθανότητα δεν καθορίζεται αποκλειστικά από την κατάσταση του πεδίου, αλλά από τη συνδυασμένη δομή πεδίου, δυναμικής και ανιχνευτή. Υπό αυτή την έννοια, το γεγονός ανίχνευσης δεν αποτελεί απλώς την καταγραφή της πραγματικότητας του κβαντικού συστήματος· αποτελεί μέρος του τρόπου με τον οποίο αυτή η πραγματικότητα αποκτά επιχειρησιακό φυσικό περιεχόμενο.
Η εκπόνηση της παρούσας διατριβής αφορά το πεδίο της Βελτιστοποίησης Αλγορίθμων και πιο συγκεκριμένα με το πεδίο της συνδυαστικής βελτιστοποίησης. Στην ουσία πραγματεύεται τη διερεύνηση μεθευρετικών μεθόδων που βασίζονται σε συμβατικές ή μη συμβατικές, εμπνευσμένες από τον κβαντικό υπολογισμό τεχνικές με σκοπό την εφαρμογή τους σε αλγόριθμους βελτιστοποίησης για την επίλυση προβλημάτων από τον πραγματικό κόσμο. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζουμε την κβαντικά εμπνευσμένη μεθευρετική μέθοδο qGVNS (quantum General Variable Neighborhood Search), την οποία χρησιμοποιούμε για να επιλύσουμε το πρόβλημα του πλανόδιου πωλητή (Travelling Salesman Problem, TSP εν συντομία) όπως επίσης και το πρόβλημα του πλανόδιου πωλητή με χρονικά παράθυρα (Travelling Salesman Problem with Time Windows, TSPTW εν συντομία). Ο τελικός σκοπός είναι η επίλυση ρεαλιστικών προβλημάτων από τον πραγματικό κόσμο που έχουν μοντελοποιηθεί σαν προβλήματα βελτιστοποίησης (TSP ή TSPTW) χρησιμοποι-ώντας τις μη συμβατικές μεθευρετικές μεθόδους που αναπτύξαμε. Το πρόβλημα του πλανόδιου πωλητή χρησιμοποιείται ως σημείο αναφοράς σε πολλές μεθόδους βελτιστοποίησης και έχει πλήθος εφαρμογών σε πολλές και διαφορετικές περιοχές, όπως στην τεχνητή νοημοσύνη, την βιοπληροφορικη, την βέλτιστη αναζήτηση διαδρομών και αλλού. Σε αυτή τη διατριβή διερευνούμε ιδιαίτερα την εκδοχή του TSP προβλήματος, που αποτελείται από κάποιους επιπρόσθετους περιορισμούς, όπως τα χρονικά παράθυρα (time windows). Η εκδοχή αυτή είναι γνωστή ως TSPTW (Travelling Salesman Problem with Time Windows). Με βάση το πρόβλημα του πλανόδιου πωλητή (TSP) αλλά και το πρόβλημα του πλανόδιου πωλητή με χρονικά παράθυρα (TSPTW) επιλύσαμε το πρόβλημα περισυλλογής απορριμάτων από τον πραγματικό κόσμο, σε δύο διαφορετικές εκδοχές του. Το απλό πρόβλημα της περισυλλογής των απορριμάτων όπως και το πρόβλημα περισυλλογής των απορριμάτων με χρονικά παράθυρα. Συνεχίζοντας, πραγματοποιήσαμε αναλυτική και διεξοδική συγκριτική μελέτη απόδοσης ανά-μεσα στην νέα κβαντικά εμπνευσμένη μέθοδο που προτείναμε και σε άλλες συμβατικές μεθόδους. Η παρούσα διατριβή ολοκληρώνεται με την παρουσίαση μερικών βασικών σημείων και βιβλιογραφίας σχετική με την κβαντική βελτιστοποίηση και την κβαντική ανόπτηση (quantum annealing).
Τα φάρμακα μέσω της αλληλεπίδρασης τους κυρίως με συγκεκριμένες πρωτεΐνες-στόχους, ρυθμίζουν βιοχημικά μονοπάτια και φυσιολογικές λειτουργίες με στόχο την πρόληψη και τη θεραπεία των διαφόρων ασθενειών. Το αυξανόμενο κόστος και οι μακροχρόνιοι περίοδοι ανάπτυξης των νέων φαρμάκων αποτελούν σημαντική πρόκληση για τη φαρμακοβιομηχανία. Σύμφωνα με πρόσφατα δεδομένα, το 92.5% των υποψηφίων φαρμάκων αποτυγχάνει. Αυτό οδηγεί σε σημαντική απώλεια πόρων και χρόνου με το μέσο συνολικό κόστος ανάπτυξης ενός φαρμάκου να ανέρχεται στα 879.3 εκατομμύρια δολάρια και τον μέσο χρόνο ανάπτυξης του στα 15 χρόνια. Το κόστος της ανάπτυξης νέων φαρμάκων αναμένεται να συνεχίσει να αυξάνεται στο μέλλον, γεγονός που κάνει επιτακτική την ανάγκη εύρεσης νέων προσεγγίσεων που θα μειώσουν το κόστος και τον χρόνο ανάπτυξης. Τα τελευταία χρόνια, η μηχανική μάθηση έχει συνεισφέρει σημαντικά προς αυτή την κατεύθυνση. Επιπλέον, η μεγάλη αύξηση των διαθέσιμων βιολογικών δεδομένων έχει βοηθήσει τις μεθόδους βαθιάς μάθησης να επιδείξουν ανώτερες επιδόσεις σε σύγκριση με τη συμβατική μηχανική μάθηση και άλλες παραδοσιακές υπολογιστικές μεθόδους. Ωστόσο, οι μέθοδοι αυτές είναι πολύπλοκες και χρονοβόρες, γεγονός που αποτελεί σημαντικό εμπόδιο στην πρακτική εφαρμογή τους. Στο πλαίσιο αυτό, η κβαντική υπολογιστική και η κβαντική μηχανική μάθηση προσφέρουν θεωρητικά υποσχόμενες λύσεις για την αποτελεσματική αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων. Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη κλασική μηχανική μάθηση και την κβαντική υπολογιστική, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα πεδία μπορούν να συνδυαστούν αποτελεσματικά, στη δημιουργία ενός νέου ερευνητικού πεδίου αυτό της κβαντικής μηχανικής μάθησης. Επιπλέον, στη συγκεκριμένη εργασία παρουσιάζονται αναλυτικά οι εφαρμογές της κβαντικής μηχανικής μάθησης στο πεδίο της ανακάλυψης φαρμάκων. Η πρόβλεψη της συγγένειας πρόσδεσης φαρμάκων σε πρωτεΐνες-στόχους, είναι ένα από τα πιο σημαντικά θέματα στην ανακάλυψη φαρμάκων. Παρουσιάζουμε τους κλασικούς αλγόριθμους μηχανικής μάθησης που προβλέπουν τη συγγένεια πρόσδεσης και συζητάμε διάφορα θέματα όπως η αναπαράσταση των δεδομένων. Προτείνουμε υβριδικά κβαντο-κλασικά νευρωνικά δίκτυα για την πρόβλεψη της συγγένειας πρόσδεσης πρωτεΐνης-στόχου και πιθανού φαρμάκου καθώς και ένα πλαίσιο υλοποίησης και αξιολόγησης κλασικών και υβριδικών κβαντο-κλασικών νευρωνικών δικτύων. Αρχικά, σχεδιάζουμε ένα μεταβλητό κβαντικό αλγόριθμο για την πρόβλεψη τιμών και ένα κλασικό συνελικτικό νευρωνικό δίκτυο μιας διάστασης για την παράλληλη εξαγωγή χαρακτηριστικών των πρωτεϊνών και των φαρμάκων. Διατηρώντας το κλασικό συνελικτικό νευρωνικό δίκτυο σταθερό, υλοποιούμε διάφορα κλασικά και υβριδικά κβαντο-κλασικά μοντέλα. Στην κλασική προσέγγιση, υλοποιούνται τρία κλασικά τμήματα πρόβλεψης διαφορετικών πολυπλοκοτήτων χρησιμοποιώντας τρία πλήρως συνδεδεμένα στρώματα. Ενώ στην υβριδική προσέγγιση, υλοποιούνται πέντε κβαντικά τμήματα πρόβλεψης, συνδυάζοντας τον μεταβλητό κβαντικό αλγόριθμο πρόβλεψης, με διαφορετικές κβαντικές κωδικοποιήσεις, και με κβαντικά κυκλώματα διαφορετικών qubits. Τα πειράματα εκτελέστηκαν σε προσομοιωτή και τα ευρήματά μας δείχνουν σαφώς ότι τα υβριδικά κβαντο-κλασικά μοντέλα με χαμηλότερη πολυπλοκότητα αποδίδουν βελτιωμένη ακρίβεια και γενίκευση, επιδεικνύοντας το κβαντικό πλεονέκτημα. Επιπλέον, τα υβριδικά μοντέλα επιταχύνουν τη διαδικασία εκπαίδευσης όσον αφορά τις επαναλήψεις και επιτυγχάνουν ταχύτερη σταθεροποίηση. Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι η κβαντική μηχανική μάθηση αποτελεί μια υποσχόμενη κατεύθυνση. Τέλος, η παρούσα διατριβή παρέχει σημαντικές γνώσεις και μεθοδολογίες που μπορούν να βελτιώσουν την εφαρμογή και την αξιολόγηση των τεχνικών κβαντικής μηχανικής μάθησης, ενισχύοντας την πρακτική εφαρμογή τους σε κβαντικές θορυβώδες- ενδιάμεσης κλίμακας συσκευές.
We analyze potential violations of causality in Unruh DeWitt-type detector models in relativistic quantum information. We proceed by first studying the relation between faster-than-light signaling and the causal factorization of the dynamics for multiple detector-field interactions. We show in what way spatially extended nonrelativistic detector models predict superluminal propagation of the field's initial conditions. We draw parallels between this characteristic of detector models, stemming from their nonrelativistic dynamics, and Sorkin's ``impossible measurements on quantum fields'' [R. D. Sorkin, in Directions in General Relativity: Proceedings of the 1993 International Symposium, Maryland (Cambridge University Press, 1993), Vol. 2, pp. 293--305.]. Based on these features, we discuss the validity of measurements in quantum field theory when performed with nonrelativistic particle detectors.