Quantum information and quantum communication theory in relation to black hole idealized mechanical models

Oggigiorno il concetto di informazione è diventato cruciale in fisica, pertanto, siccome la migliore teoria che abbiamo per compiere predizioni riguardo l'universo è la meccanica quantistica, assume una particolare importanza lo sviluppo di una versione quantistica della teoria dell'informazione. Questa centralità è confermata dal fatto che i buchi neri hanno entropia. Per questo motivo, in questo lavoro sono presentati elementi di teoria dell'informazione quantistica e della comunicazione quantistica e alcuni sono illustrati riferendosi a modelli quantistici altamente idealizzati della meccanica di buco nero. In particolare, nel primo capitolo sono forniti tutti gli strumenti quanto-meccanici per la teoria dell'informazione e della comunicazione quantistica. Successivamente, viene affrontata la teoria dell'informazione quantistica e viene trovato il limite di Bekenstein alla quantità di informazione chiudibile entro una qualunque regione spaziale. Tale questione viene trattata utilizzando un modello quantistico idealizzato della meccanica di buco nero supportato dalla termodinamica. Nell'ultimo capitolo, viene esaminato il problema di trovare un tasso raggiungibile per la comunicazione quantistica facendo nuovamente uso di un modello quantistico idealizzato di un buco nero, al fine di illustrare elementi della teoria. Infine, un breve sommario della fisica dei buchi neri è fornito in appendice.

Quantum field theory of (p,0)-forms on kaehler manifolds

In questa tesi abbiamo studiato la quantizzazione di una teoria di gauge di forme differenziali su spazi complessi dotati di una metrica di Kaehler. La particolarità di queste teorie risiede nel fatto che esse presentano invarianze di gauge riducibili, in altre parole non indipendenti tra loro. L'invarianza sotto trasformazioni di gauge rappresenta uno dei pilastri della moderna comprensione del mondo fisico. La caratteristica principale di tali teorie è che non tutte le variabili sono effettivamente presenti nella dinamica e alcune risultano essere ausiliarie. Il motivo per cui si preferisce adottare questo punto di vista è spesso il fatto che tali teorie risultano essere manifestamente covarianti sotto importanti gruppi di simmetria come il gruppo di Lorentz. Uno dei metodi più usati nella quantizzazione delle teorie di campo con simmetrie di gauge, richiede l'introduzione di campi non fisici detti ghosts e di una simmetria globale e fermionica che sostituisce l'iniziale invarianza locale di gauge, la simmetria BRST. Nella presente tesi abbiamo scelto di utilizzare uno dei più moderni formalismi per il trattamento delle teorie di gauge: il formalismo BRST Lagrangiano di Batalin-Vilkovisky. Questo metodo prevede l'introduzione di ghosts per ogni grado di riducibilità delle trasformazioni di gauge e di opportuni “antifields" associati a ogni campo precedentemente introdotto. Questo formalismo ci ha permesso di arrivare direttamente a una completa formulazione in termini di path integral della teoria quantistica delle (p,0)-forme. In particolare esso permette di dedurre correttamente la struttura dei ghost della teoria e la simmetria BRST associata. Per ottenere questa struttura è richiesta necessariamente una procedura di gauge fixing per eliminare completamente l'invarianza sotto trasformazioni di gauge. Tale procedura prevede l'eliminazione degli antifields in favore dei campi originali e dei ghosts e permette di implementare, direttamente nel path integral condizioni di gauge fixing covarianti necessari per definire correttamente i propagatori della teoria. Nell'ultima parte abbiamo presentato un’espansione dell’azione efficace (euclidea) che permette di studiare le divergenze della teoria. In particolare abbiamo calcolato i primi coefficienti di tale espansione (coefficienti di Seeley-DeWitt) tramite la tecnica dell'heat kernel. Questo calcolo ha tenuto conto dell'eventuale accoppiamento a una metrica di background cosi come di un possibile ulteriore accoppiamento alla traccia della connessione associata alla metrica.

Dynamical Casimir effect and the structure of vacuum in quantum field theory

Some of the most interesting phenomena that arise from the developments of the modern physics are surely vacuum fluctuations. They appear in different branches of physics, such as Quantum Field Theory, Cosmology, Condensed Matter Physics, Atomic and Molecular Physics, and also in Mathematical Physics. One of the most important of these vacuum fluctuations, sometimes called "zero-point energy", as well as one of the easiest quantum effect to detect, is the so-called Casimir effect. The purposes of this thesis are: - To propose a simple retarded approach for dynamical Casimir effect, thus a description of this vacuum effect when we have moving boundaries. - To describe the behaviour of the force acting on a boundary, due to its self-interaction with the vacuum.

Aspects of supergeometry in locally covariant quantum field theory

In questa tesi vengono presentati i piu recenti risultati relativi all'estensione della teoria dei campi localmente covariante a geometrie che permettano di descrivere teorie di campo supersimmetriche. In particolare, si mostra come la definizione assiomatica possa essere generalizzata, mettendo in evidenza le problematiche rilevanti e le tecniche utilizzate in letteratura per giungere ad una loro risoluzione. Dopo un'introduzione alle strutture matematiche di base, varieta Lorentziane e operatori Green-iperbolici, viene definita l'algebra delle osservabili per la teoria quantistica del campo scalare. Quindi, costruendo un funtore dalla categoria degli spazio-tempo globalmente iperbolici alla categoria delle *-algebre, lo stesso schema viene proposto per le teorie di campo bosoniche, purche definite da un operatore Green-iperbolico su uno spazio-tempo globalmente iperbolico. Si procede con lo studio delle supervarieta e alla definizione delle geometrie di background per le super teorie di campo: le strutture di super-Cartan. Associando canonicamente ad ognuna di esse uno spazio-tempo ridotto, si introduce la categoria delle strutture di super-Cartan (ghsCart) il cui spazio-tempo ridotto e globalmente iperbolico. Quindi, si mostra, in breve, come e possibile costruire un funtore da una sottocategoria di ghsCart alla categoria delle super *-algebre e si conclude presentando l'applicazione dei risultati esposti al caso delle strutture di super-Cartan in dimensione 2|2.

Philosophy of quantum field theory: an introduction with interviews and comments

In this thesis, I address quantum theories and specifically quantum field theories in their interpretive aspects, with the aim of capturing some of the most controversial and challenging issues, also in relation to possible future developments of physics. To do so, I rely on and review some of the discussions carried on in philosophy of physics, highlighting methodologies and goals. This makes the thesis an introduction to these discussions. Based on these arguments, I built and conducted 7 face-to-face interviews with physics professors and an online survey (which received 88 responses from master's and PhD students and postdoctoral researchers in physics), with the aim of understanding how physicists make sense of concepts related to quantum theories and to find out what they can add to the discussion. Of the data collected, I report a qualitative analysis through three constructed themes.

Generalized hydrodynamics of a (1+1)-dimensional integrable scattering theory with roaming trajectories

The emergence of hydrodynamic features in off-equilibrium (1 + 1)-dimensional integrable quantum systems has been the object of increasing attention in recent years. In this Master Thesis, we combine Thermodynamic Bethe Ansatz (TBA) techniques for finite-temperature quantum field theories with the Generalized Hydrodynamics (GHD) picture to provide a theoretical and numerical analysis of Zamolodchikov’s staircase model both at thermal equilibrium and in inhomogeneous generalized Gibbs ensembles. The staircase model is a diagonal (1 + 1)-dimensional integrable scattering theory with the remarkable property of roaming between infinitely many critical points when moving along a renormalization group trajectory. Namely, the finite-temperature dimensionless ground-state energy of the system approaches the central charges of all the minimal unitary conformal field theories (CFTs) M_p as the temperature varies. Within the GHD framework we develop a detailed study of the staircase model’s hydrodynamics and compare its quite surprising features to those displayed by a class of non-diagonal massless models flowing between adjacent points in the M_p series. Finally, employing both TBA and GHD techniques, we generalize to higher-spin local and quasi-local conserved charges the results obtained by B. Doyon and D. Bernard [1] for the steady-state energy current in off-equilibrium conformal field theories.

Quantum computing and post-quantum cryptography

One of the main practical implications of quantum mechanical theory is quantum computing, and therefore the quantum computer. Quantum computing (for example, with Shor’s algorithm) challenges the computational hardness assumptions, such as the factoring problem and the discrete logarithm problem, that anchor the safety of cryptosystems. So the scientific community is studying how to defend cryptography; there are two defense strategies: the quantum cryptography (which involves the use of quantum cryptographic algorithms on quantum computers) and the post-quantum cryptography (based on classical cryptographic algorithms, but resistant to quantum computers). For example, National Institute of Standards and Technology (NIST) is collecting and standardizing the post-quantum ciphers, as it established DES and AES as symmetric cipher standards, in the past. In this thesis an introduction on quantum mechanics was given, in order to be able to talk about quantum computing and to analyze Shor’s algorithm. The differences between quantum and post-quantum cryptography were then analyzed. Subsequently the focus was given to the mathematical problems assumed to be resistant to quantum computers. To conclude, post-quantum digital signature cryptographic algorithms selected by NIST were studied and compared in order to apply them in today’s life.

Ultracold Bose-Fermi mixtures with pairing: quantum phase transition, mechanical stability, and trap confinement

Ultracold dilute gases occupy an important role in modern physics and they are employed to verify fundamental quantum theories in most branches of theoretical physics. The scope of this thesis work is the study of Bose-Fermi (BF) mixtures at zero temperature with a tunable pairing between bosons and fermions. The mixtures are treated with diagrammatic quantum many-body methods based on the so-called T-matrix formalism. Starting from the Fermi-polaron limit, I will explore various values of relative concentrations up to mixtures with a majority of bosons, a case barely considered in previous works. An unexpected quantum phase transition is found to occur in a certain range of BF coupling for mixture with a slight majority of bosons. The mechanical stability of mixtures has been analysed, when the boson-fermion interaction is changed from weak to strong values, in the light of experimental results recently obtained for a double-degenerate Bose-Fermi mixture of 23 Na - 40 K. A possible improvement in the description of the boson-boson repulsion based on Popov's theory is proposed. Finally, the effects of a harmonic trapping potential are described, with a comparison with the experimental data for the condensate fraction recently obtained for a trapped 23 Na - 40 K mixture.

Alternative derivative expansion in Functional RG and application

We give a brief review of the Functional Renormalization method in quantum field theory, which is intrinsically non perturbative, in terms of both the Polchinski equation for the Wilsonian action and the Wetterich equation for the generator of the proper verteces. For the latter case we show a simple application for a theory with one real scalar field within the LPA and LPA' approximations. For the first case, instead, we give a covariant "Hamiltonian" version of the Polchinski equation which consists in doing a Legendre transform of the flow for the corresponding effective Lagrangian replacing arbitrary high order derivative of fields with momenta fields. This approach is suitable for studying new truncations in the derivative expansion. We apply this formulation for a theory with one real scalar field and, as a novel result, derive the flow equations for a theory with N real scalar fields with the O(N) internal symmetry. Within this new approach we analyze numerically the scaling solutions for N=1 in d=3 (critical Ising model), at the leading order in the derivative expansion with an infinite number of couplings, encoded in two functions V(phi) and Z(phi), obtaining an estimate for the quantum anomalous dimension with a 10% accuracy (confronting with Monte Carlo results).

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.

Multi-scalar critical theories: first steps for a non perturbative functional renormalization group analysis

In this work the fundamental ideas to study properties of QFTs with the functional Renormalization Group are presented and some examples illustrated. First the Wetterich equation for the effective average action and its flow in the local potential approximation (LPA) for a single scalar field is derived. This case is considered to illustrate some techniques used to solve the RG fixed point equation and study the properties of the critical theories in D dimensions. In particular the shooting methods for the ODE equation for the fixed point potential as well as the approach which studies a polynomial truncation with a finite number of couplings, which is convenient to study the critical exponents. We then study novel cases related to multi field scalar theories, deriving the flow equations for the LPA truncation, both without assuming any global symmetry and also specialising to cases with a given symmetry, using truncations based on polynomials of the symmetry invariants. This is used to study possible non perturbative solutions of critical theories which are extensions of known perturbative results, obtained in the epsilon expansion below the upper critical dimension.

Accessible information in a two-qubit system through the quantum steering ellipsoids formalism

Capire come ottenere l'informazione accessibile, cioè quanta informazione classica si può estrarre da un processo quantistico, è una delle questioni più intricate e affascinanti nell'ambito della teoria dell'informazione quantistica. Nonostante l'importanza della nozione di informazione accessibile non esistono metodi generali per poterla calcolare, esistono soltanto dei limiti, i più famosi dei quali sono il limite superiore di Holevo e il limite inferiore di Josza-Robb-Wootters. La seguente tesi fa riferimento a un processo che coinvolge due parti, Alice e Bob, che condividono due qubits. Si considera il caso in cui Bob effettua misure binarie sul suo qubit e quindi indirizza lo stato del qubit di Alice in due possibili stati. L'obiettivo di Alice è effettuare la misura ottimale nell'ottica di decretare in quale dei due stati si trova il suo qubit. Lo strumento scelto per studiare questo processo va sotto il nome di 'quantum steering ellipsoids formalism'. Esso afferma che lo stato di un sistema di due qubit può essere descritto dai vettori di Bloch di Alice e Bob e da un ellissoide nella sfera di Bloch di Alice generato da tutte le possibili misure di Bob. Tra tutti gli stati descritti da ellissoidi ce ne sono alcuni che manifestano particolari proprietà, per esempio gli stati di massimo volume. Considerando stati di massimo volume e misure binarie si è riuscito a trovare un limite inferiore all'informazione accessibile per un sistema di due qubit migliore del limite inferiore di Josza-Robb-Wootters. Un altro risultato notevole e inaspettato è che l'intuitiva e giustificata relazione 'distanza tra i punti nell'ellissoide - mutua informazione' non vale quando si confrontano coppie di punti ''vicine'' tra loro e lontane dai più distanti.

Quantum simulation of (1+1)D QED via a Zn lattice Gauge theory

La simulazione di un sistema quantistico complesso rappresenta ancora oggi una sfida estremamente impegnativa a causa degli elevati costi computazionali. La dimensione dello spazio di Hilbert cresce solitamente in modo esponenziale all'aumentare della taglia, rendendo di fatto impossibile una implementazione esatta anche sui più potenti calcolatori. Nel tentativo di superare queste difficoltà, sono stati sviluppati metodi stocastici classici, i quali tuttavia non garantiscono precisione per sistemi fermionici fortemente interagenti o teorie di campo in regimi di densità finita. Di qui, la necessità di un nuovo metodo di simulazione, ovvero la simulazione quantistica. L'idea di base è molto semplice: utilizzare un sistema completamente controllabile, chiamato simulatore quantistico, per analizzarne un altro meno accessibile. Seguendo tale idea, in questo lavoro di tesi si è utilizzata una teoria di gauge discreta con simmetria Zn per una simulazione dell'elettrodinamica quantistica in (1+1)D, studiando alcuni fenomeni di attivo interesse di ricerca, come il diagramma di fase o la dinamica di string-breaking, che generalmente non sono accessibili mediante simulazioni classiche. Si propone un diagramma di fase del modello caratterizzato dalla presenza di una fase confinata, in cui emergono eccitazioni mesoniche ed antimesoniche, cioè stati legati particella-antiparticella, ed una fase deconfinata.

Quantum Riemannian geometry on graphs for gauge field theory

In questo lavoro estendiamo concetti classici della geometria Riemanniana al fine di risolvere le equazioni di Maxwell sul gruppo delle permutazioni $S_3$. Cominciamo dando la strutture algebriche di base e la definizione di calcolo differenziale quantico con le principali proprietà. Generalizziamo poi concetti della geometria Riemanniana, quali la metrica e l'algebra esterna, al caso quantico. Tutto ciò viene poi applicato ai grafi dando la forma esplicita del calcolo differenziale quantico su $\mathbb{K}(V)$, della metrica e Laplaciano del secondo ordine e infine dell'algebra esterna. A questo punto, riscriviamo le equazioni di Maxwell in forma geometrica compatta usando gli operatori e concetti della geometria differenziale su varietà che abbiamo generalizzato in precedenza. In questo modo, considerando l'elettromagnetismo come teoria di gauge, possiamo risolvere le equazioni di Maxwell su gruppi finiti oltre che su varietà differenziabili. In particolare, noi le risolviamo su $S_3$.