Entanglement entropy in restricted integrable spin-chains

In questa tesi abbiamo presentato il calcolo dell’Entropia di Entanglement di un sistema quantistico unidimensionale integrabile la cui rappresentazione statistica é data dal modello RSOS, il cui punto critico é una realizzazione su reticolo di tutti i modelli conformi minimali. Sfruttando l’integrabilitá di questi modelli, abbiamo svolto il calcolo utilizzando la tecnica delle Corner Transfer Matrices (CTM). Il risultato ottenuto si discosta leggermente dalla previsione di J. Cardy e P. Calabrese ricavata utilizzando la teoria dei campi conformi descriventi il punto critico. Questa differenza é stata imputata alla non-unitarietá del modello studiato, in quanto la tecnica CTM studia il ground state, mentre la previsione di Cardy e Calabrese si focalizza sul vuoto conforme del modello: nel caso dei sistemi non-unitari questi due stati non coincidono, ma possono essere visti come eccitazioni l’uno dell’altro. Dato che l’Entanglement é un fenomeno genuinamente quantistico e il modello RSOS descrive un sistema statistico classico bidimensionale, abbiamo proposto una Hamiltoniana quantistica unidimensionale integrabile la cui rappresentazione statistica é data dal modello RSOS.

Implementation of network entropy algorithms on hpc machines, with application to high-dimensional experimental data

Network Theory is a prolific and lively field, especially when it approaches Biology. New concepts from this theory find application in areas where extensive datasets are already available for analysis, without the need to invest money to collect them. The only tools that are necessary to accomplish an analysis are easily accessible: a computing machine and a good algorithm. As these two tools progress, thanks to technology advancement and human efforts, wider and wider datasets can be analysed. The aim of this paper is twofold. Firstly, to provide an overview of one of these concepts, which originates at the meeting point between Network Theory and Statistical Mechanics: the entropy of a network ensemble. This quantity has been described from different angles in the literature. Our approach tries to be a synthesis of the different points of view. The second part of the work is devoted to presenting a parallel algorithm that can evaluate this quantity over an extensive dataset. Eventually, the algorithm will also be used to analyse high-throughput data coming from biology.

Horizon entropy from scratch

Scopo di questo lavoro di tesi è lo studio di alcune proprietà delle teorie generali della gravità in relazione alla meccanica e la termodinamica dei buchi neri. In particolare, la trattazione che seguirà ha lo scopo di fornire un percorso autoconsistente che conduca alla nozione di entropia di un orizzonte descritta in termini delle carica di Noether associata all'invarianza del funzionale d'azione, che descrive la teoria gravitazionale in considerazione, per trasformazioni di coordinate generali. Si presterà particolare attenzione ad alcune proprietà geometriche della Lagrangiana, proprietà che sono indipendenti dalla particolare forma della teoria che si sta prendendo in considerazione; trattasi cioè non di proprietà dinamiche, legate cioè alla forma delle equazioni del moto del campo gravitazionale, ma piuttosto caratteristiche proprie di qualunque varietà rappresentante uno spaziotempo curvo. Queste caratteristiche fanno sì che ogni teoria generale della gravità possieda alcune grandezze definite localmente sullo spaziotempo, in particolare una corrente di Noether e la carica ad essa associata. La forma esplicita della corrente e della carica dipende invece dalla Lagrangiana che si sceglie di adottare per descrivere il campo gravitazionale. Il lavoro di tesi sarà orientato prima a descrivere come questa corrente di Noether emerge in qualunque teoria della gravità invariante per trasformazioni generali e come essa viene esplicitata nel caso di Lagrangiane particolari, per poi identificare la carica ad essa associata come una grandezza connessa all' entropia di un orizzonte in qualunque teoria generale della gravità.

Entanglement entropy in 1-d quantum spin chains

In questa tesi abbiamo studiato il comportamento delle entropie di Entanglement e dello spettro di Entanglement nel modello XYZ attraverso delle simulazioni numeriche. Le formule per le entropie di Von Neumann e di Renyi nel caso di una catena bipartita infinita esistevano già, ma mancavano ancora dei test numerici dettagliati. Inoltre, rispetto alla formula per l'Entropia di Entanglement di J. Cardy e P. Calabrese per sistemi non critici, tali relazioni presentano delle correzioni che non hanno ancora una spiegazione analitica: i risultati delle simulazioni numeriche ne hanno confermato la presenza. Abbiamo inoltre testato l'ipotesi che lo Schmidt Gap sia proporzionale a uno dei parametri d'ordine della teoria, e infine abbiamo simulato numericamente l'andamento delle Entropie e dello spettro di Entanglement in funzione della lunghezza della catena di spin. Ciò è stato possibile solo introducendo dei campi magnetici ''ad hoc'' nella catena, con la proprietà che l'andamento delle suddette quantità varia a seconda di come vengono disposti tali campi. Abbiamo quindi discusso i vari risultati ottenuti.

A maximum entropy approach to disturbed ecosystems

The current climate crisis requires a comprehensive understanding of biodiversity to acknowledge how ecosystems’ responses to anthropogenic disturbances may result in feedback that can either mitigate or exacerbate global warming. Although ecosystems are dynamic and macroecological patterns change drastically in response to disturbance, dynamic macroecology has received insufficient attention and theoretical formalisation. In this context, the maximum entropy principle (MaxEnt) could provide an effective inference procedure to study ecosystems. Since the improper usage of entropy outside its scope often leads to misconceptions, the opening chapter will clarify its meaning by following its evolution from classical thermodynamics to information theory. The second chapter introduces the study of ecosystems from a physicist’s viewpoint. In particular, the MaxEnt Theory of Ecology (METE) will be the cornerstone of the discussion. METE predicts the shapes of macroecological metrics in relatively static ecosystems using constraints imposed by static state variables. However, in disturbed ecosystems with macroscale state variables that change rapidly over time, its predictions tend to fail. In the final chapter, DynaMETE is therefore presented as an extension of METE from static to dynamic. By predicting how macroecological patterns are likely to change in response to perturbations, DynaMETE can contribute to a better understanding of disturbed ecosystems’ fate and the improvement of conservation and management of carbon sinks, like forests. Targeted strategies in ecosystem management are now indispensable to enhance the interdependence of human well-being and the health of ecosystems, thus avoiding climate change tipping points.

Conditional entropy and predictability for non-reversible Markov systems

The purpose of this thesis is to clarify the role of non-equilibrium stationary currents of Markov processes in the context of the predictability of future states of the system. Once the connection between the predictability and the conditional entropy is established, we provide a comprehensive approach to the definition of a multi-particle Markov system. In particular, starting from the well-known theory of random walk on network, we derive the non-linear master equation for an interacting multi-particle system under the one-step process hypothesis, highlighting the limits of its tractability and the prop- erties of its stationary solution. Lastly, in order to study the impact of the NESS on the predictability at short times, we analyze the conditional entropy by modulating the intensity of the stationary currents, both for a single-particle and a multi-particle Markov system. The results obtained analytically are numerically tested on a 5-node cycle network and put in correspondence with the stationary entropy production. Furthermore, because of the low dimensionality of the single-particle system, an analysis of its spectral properties as a function of the modulated stationary currents is performed.

Caratterizzazione della misura di entropia di singolo nodo nell'ambito della teoria statistica dei network

In questo lavoro si è affrontata la definizione e la caratterizzazione di una misura di entropia di singolo nodo nell’ambito della teoria statistica dei network, per ottenere informazioni a livello di singolo nodo a fini di analisi e classificazione. Sono state introdotte e studiate alcune proprietà di questi osservabili in quanto la Network Entropy, precedentemente definita e utilizzata nello stesso contesto, fornisce un’informazione globale a livello dell’intero network. I risultati delle analisi svolte con questa definizione sono stati confrontati con una seconda definizione di entropia di singolo nodo proveniente dalla letteratura, applicando entrambe le misure allo stesso problema di caratterizzazione di due classi di nodi all’interno di un network

Generatore di entropia basato su dinamica caotica con interfaccia usb

È impossibile implementare sorgenti autenticamente casuali su hardware digitale. Quindi, storicamente, si è fatto ampio uso di generatori di numeri pseudo-casuali, evitando così i costi necessari per la progettazione di hardware analogico dedicato. Tuttavia, le sorgenti pseudo-casuali hanno proprietà (riproducibilità e periodicità) che si trasformano in vulnerabilità, nel caso in cui vengano adottate in sistemi di sicurezza informatica e all’interno di algoritmi crittografici. Oggi la richiesta di generatori di numeri autenticamente casuali è ai suoi massimi storici. Alcuni importanti attori dell’ICT sviluppato proprie soluzioni dedicate, ma queste sono disponibili solo sui sistemi moderni e di fascia elevata. È quindi di grande attualità rendere fruibili generatori autenticamente casuali per sistemi già esistenti o a basso costo. Per garantire sicurezza e al tempo stesso contenere i costi di progetto è opportuno pensare ad architetture che consentano di riusare parti analogiche già disponibili. Particolarmente interessanti risultano alcune architetture che, grazie all’utilizzo di dinamiche caotiche, consentono di basare buona parte della catena analogica di elaborazione su ADC. Infatti, tali blocchi sono ampiamente fruibili in forma integrata su architetture programmabili e microcontrollori. In questo lavoro, si propone un’implementazione a basso costo ed elevata flessibilità di un architettura basata su un ADC, inizialmente concepita all’Università di Bologna. La riduzione di costo viene ottenuta sfruttando il convertitore già presente all’interno di un microcontrollore. L’elevata flessibilità deriva dal fatto che il microcontrollore prescelto mette a disposizione una varietà di interfacce di comunicazione, tra cui quella USB, con la quale è possibile rendere facilmente fruibili i numeri casuali generati. Quindi, l’intero apparato comprende solo un microcontrollore e una minima catena analogica di elaborazione esterna e può essere interfacciato con estrema facilità ad elaboratori elettronici o sistemi embedded. La qualità della proposta, in termini di statistica delle sequenze casuali generate, è stata validata sfruttando i test standardizzati dall’U.S. NIST.

Classical and quantum aspects of black hole dynamics

Il contenuto fisico della Relatività Generale è espresso dal Principio di Equivalenza, che sancisce l'equivalenza di geometria e gravitazione. La teoria predice l'esistenza dei buchi neri, i più semplici oggetti macroscopici esistenti in natura: essi sono infatti descritti da pochi parametri, le cui variazioni obbediscono a leggi analoghe a quelle della termodinamica. La termodinamica dei buchi neri è posta su basi solide dalla meccanica quantistica, mediante il fenomeno noto come radiazione di Hawking. Questi risultati gettano una luce su una possibile teoria quantistica della gravitazione, ma ad oggi una simile teoria è ancora lontana. In questa tesi ci proponiamo di studiare i buchi neri nei loro aspetti sia classici che quantistici. I primi due capitoli sono dedicati all'esposizione dei principali risultati raggiunti in ambito teorico: in particolare ci soffermeremo sui singularity theorems, le leggi della meccanica dei buchi neri e la radiazione di Hawking. Il terzo capitolo, che estende la discussione sulle singolarità, espone la teoria dei buchi neri non singolari, pensati come un modello effettivo di rimozione delle singolarità. Infine il quarto capitolo esplora le ulteriori conseguenze della meccanica quantistica sulla dinamica dei buchi neri, mediante l'uso della nozione di entropia di entanglement.

Stabilità e variabilità del cammino in acqua

La camminata, sia in acqua sia a secco, è un esercizio praticato frequentemente in ambito riabilitativo. Lo scopo di questa tesi è di confrontare variabilità e stabilità del cammino dentro e fuori dall’acqua, al fine di comprendere le caratteristiche dei due tipi di cammino. L’analisi si è focalizzata sulla valutazione di misure di stabilità e variabilità che non erano mai state indagate prima per la camminata in acqua: Harmonic Ratio, Plot di Poincarè, moltiplicatori di Floquet, esponenti di Lyapunov, multiscale entropy, recurrence rate, determinism, averaged diagonal line length, maximum diagonal line length e divergenza. Gli indici sono stati calcolati su camminate di 30 e di 90 passi. Da questa analisi possiamo stimare anche quale parametro è già affidabile a 30 passi e non cambia se analizzato a 90 o se un parametro necessita di più passi per risultare affidabile. Inoltre è stata effettuata indagine statistica tramite test di Kruskal-Wallis. Dall'analisi è emerso che la camminata in acqua è più stabile, meno smooth, c’è un maggiore controllo posturale lungo gli assi antero-posteriore e medio-laterale e che il cammino è condotto in maniera meno automatica.