Geometric-phase backaction in a mesoscopic qubit-oscillator system

We illustrate a reverse Von Neumann measurement scheme in which a geometric phase induced on a quantum harmonic oscillator is measured using a microscopic qubit as a probe. We show how such a phase, generated by a cyclic evolution in the phase space of the harmonic oscillator, can be kicked back on the qubit, which plays the role of a quantum interferometer. We also extend our study to finite-temperature dissipative Markovian dynamics and discuss potential implementations in micro-and nanomechanical devices coupled to an effective two-level system.

Orthogonality catastrophe as a consequence of qubit embedding in an ultracold Fermi gas

We investigate the behavior of a two-level atom coupled to a one-dimensional, ultracold Fermi gas. The sudden switching on of the scattering between the two entities leads to the loss of any coherence in the initial state of the impurity and we show that the exact dynamics of this process is strongly influenced by the effect of the orthogonality catastrophe within the gas. We highlight the relationship between the Loschmidt echo and the retarded Green's function-typically used to formulate the dynamical theory of the catastrophe-and demonstrate that the effect is reflected in the impurity dynamics. We show that the expected nonexponential decay of the spectral function can be observed using Ramsey interferometry on the two-level atom and comment on finite temperature effects.

Nonlinear Modulated Envelope Electrostatic Wavepacket Propagation in Plasmas

A brief review of the occurrence of amplitude modulated structures in space and laboratory plasmas is provided, followed by a theoretical analysis of the mechanism of carrier wave (self-) interaction, with respect to electrostatic plasma modes. A generic collisionless unmagnetized fluid model is employed. Both cold-(zero-temperature) and warm-(finite temperature) fluid descriptions are considered and compared. The weakly nonlinear oscillation regime is investigated by applying a multiple scale (reductive perturbation) technique and a Nonlinear Schrödinger Equation (NLSE) is obtained, describing the evolution of the slowly varying wave amplitude in time and space. The amplitude’s stability profile reveals the possibility of modulational instability to occur under the influence of external perturbations. The NLSE admits exact localized envelope (solitary wave) solutions of bright (pulses) or dark (holes, voids) type, whose characteristics depend on intrinsic plasma parameters. The role of perturbation obliqueness (with respect to the propagation direction), finite temperature and — possibly — defect (dust) concentration is explicitly considered. The relevance of this description with respect to known electron-ion (e-i) as well as dusty (complex) plasma modes is briefly discussed. © 2004 American Institute of Physics

Exploring the free energy surfaces of clusters using reconnaissance metadynamics

A new approach is proposed for exploring the low-energy structures of small to medium-sized aggregates of atoms and molecules. This approach uses the recently proposed reconnaissance metadynamics method [G. A. Tribello, M. Ceriotti, and M. Parrinello. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107(41), 17509 (2010)] in tandem with collective variables that describe the average structure of the coordination sphere around the atoms/molecules. We demonstrate this method on both Lennard-Jones and water clusters and show how it is able to quickly find the global minimum in the potential energy surface, while exploring the finite temperature free energy surface. (C) 2011 American Institute of Physics. [doi: 10.1063/1.3628676]

Nonequilibrium Quantum Landauer Principle

Using the operational framework of completely positive, trace preserving operations and thermodynamic fluctuation relations, we derive a lower bound for the heat exchange in a Landauer erasure process on a quantum system. Our bound comes from a nonphenomenological derivation of the Landauer principle which holds for generic nonequilibrium dynamics. Furthermore, the bound depends on the nonunitality of dynamics, giving it a physical significance that differs from other derivations. We apply our framework to the model of a spin-1/2 system coupled to an interacting spin chain at finite temperature.

Landauer’s Principle in Multipartite Open Quantum System Dynamics

We investigate the link between information and thermodynamics embodied by Landauer’s principle in the open dynamics of a multipartite quantum system. Such irreversible dynamics is described in terms of a collisional model with a finite temperature reservoir. We demonstrate that Landauer’s principle holds, for such a configuration, in a form that involves the flow of heat dissipated into the environment and the rate of change of the entropy of the system. Quite remarkably, such a principle for heat and entropy power can be explicitly linked to the rate of creation of correlations among the elements of the multipartite system and, in turn, the non-Markovian nature of their reduced evolution. Such features are illustrated in two exemplary cases.

A light stop and electroweak baryogenesis

The possibility of creating baryon asymmetry at the electroweak phase transition in the minimal supersymmetric standard model is considered for the case when right-handed squarks are much lighter than left-handed ones. It is shown that the usual requirement upsilon(T-c)/T-c greater than or similar to 1 for baryogenesis can be satisfied in a range of the parameters of the model, consistent with present experimental bounds.

An analysis of decoupling procedures in generating thermal Green's functions of O([lambda]â ´) by the Zubarev equation of motion method

The Zubarev equation of motion method has been applied to an anharmonic crystal of O( ,,4). All possible decoupling schemes have been interpreted in order to determine finite temperature expressions for the one phonon Green's function (and self energy) to 0()\4) for a crystal in which every atom is on a site of inversion symmetry. In order to provide a check of these results, the Helmholtz free energy expressions derived from the self energy expressions, have been shown to agree in the high temperature limit with the results obtained from the diagrammatic method. Expressions for the correlation functions that are related to the mean square displacement have been derived to 0(1\4) in the high temperature limit.

On the path integral formulation and the evaluation of quantum statistical averages

Four problems of physical interest have been solved in this thesis using the path integral formalism. Using the trigonometric expansion method of Burton and de Borde (1955), we found the kernel for two interacting one dimensional oscillators• The result is the same as one would obtain using a normal coordinate transformation, We next introduced the method of Papadopolous (1969), which is a systematic perturbation type method specifically geared to finding the partition function Z, or equivalently, the Helmholtz free energy F, of a system of interacting oscillators. We applied this method to the next three problems considered• First, by summing the perturbation expansion, we found F for a system of N interacting Einstein oscillators^ The result obtained is the same as the usual result obtained by Shukla and Muller (1972) • Next, we found F to 0(Xi)f where A is the usual Tan Hove ordering parameter* The results obtained are the same as those of Shukla and Oowley (1971), who have used a diagrammatic procedure, and did the necessary sums in Fourier space* We performed the work in temperature space• Finally, slightly modifying the method of Papadopolous, we found the finite temperature expressions for the Debyecaller factor in Bravais lattices, to 0(AZ) and u(/K/ j,where K is the scattering vector* The high temperature limit of the expressions obtained here, are in complete agreement with the classical results of Maradudin and Flinn (1963) .

Logique et tests d'hypotheses: reflexions sur les problemes mal poses en econometrie

Dans ce texte, nous analysons les développements récents de l’économétrie à la lumière de la théorie des tests statistiques. Nous revoyons d’abord quelques principes fondamentaux de philosophie des sciences et de théorie statistique, en mettant l’accent sur la parcimonie et la falsifiabilité comme critères d’évaluation des modèles, sur le rôle de la théorie des tests comme formalisation du principe de falsification de modèles probabilistes, ainsi que sur la justification logique des notions de base de la théorie des tests (tel le niveau d’un test). Nous montrons ensuite que certaines des méthodes statistiques et économétriques les plus utilisées sont fondamentalement inappropriées pour les problèmes et modèles considérés, tandis que de nombreuses hypothèses, pour lesquelles des procédures de test sont communément proposées, ne sont en fait pas du tout testables. De telles situations conduisent à des problèmes statistiques mal posés. Nous analysons quelques cas particuliers de tels problèmes : (1) la construction d’intervalles de confiance dans le cadre de modèles structurels qui posent des problèmes d’identification; (2) la construction de tests pour des hypothèses non paramétriques, incluant la construction de procédures robustes à l’hétéroscédasticité, à la non-normalité ou à la spécification dynamique. Nous indiquons que ces difficultés proviennent souvent de l’ambition d’affaiblir les conditions de régularité nécessaires à toute analyse statistique ainsi que d’une utilisation inappropriée de résultats de théorie distributionnelle asymptotique. Enfin, nous soulignons l’importance de formuler des hypothèses et modèles testables, et de proposer des techniques économétriques dont les propriétés sont démontrables dans les échantillons finis.

Testing Normality : A GMM Approach

In this paper, we consider testing marginal normal distributional assumptions. More precisely, we propose tests based on moment conditions implied by normality. These moment conditions are known as the Stein (1972) equations. They coincide with the first class of moment conditions derived by Hansen and Scheinkman (1995) when the random variable of interest is a scalar diffusion. Among other examples, Stein equation implies that the mean of Hermite polynomials is zero. The GMM approach we adopted is well suited for two reasons. It allows us to study in detail the parameter uncertainty problem, i.e., when the tests depend on unknown parameters that have to be estimated. In particular, we characterize the moment conditions that are robust against parameter uncertainty and show that Hermite polynomials are special examples. This is the main contribution of the paper. The second reason for using GMM is that our tests are also valid for time series. In this case, we adopt a Heteroskedastic-Autocorrelation-Consistent approach to estimate the weighting matrix when the dependence of the data is unspecified. We also make a theoretical comparison of our tests with Jarque and Bera (1980) and OPG regression tests of Davidson and MacKinnon (1993). Finite sample properties of our tests are derived through a comprehensive Monte Carlo study. Finally, three applications to GARCH and realized volatility models are presented.

Testing for a Unit Root in Panels with Dynamic Factors

This paper studies testing for a unit root for large n and T panels in which the cross-sectional units are correlated. To model this cross-sectional correlation, we assume that the data is generated by an unknown number of unobservable common factors. We propose unit root tests in this environment and derive their (Gaussian) asymptotic distribution under the null hypothesis of a unit root and local alternatives. We show that these tests have significant asymptotic power when the model has no incidental trends. However, when there are incidental trends in the model and it is necessary to remove heterogeneous deterministic components, we show that these tests have no power against the same local alternatives. Through Monte Carlo simulations, we provide evidence on the finite sample properties of these new tests.

Factor Analysis of a Large DSGE Model

We study the workings of the factor analysis of high-dimensional data using artificial series generated from a large, multi-sector dynamic stochastic general equilibrium (DSGE) model. The objective is to use the DSGE model as a laboratory that allow us to shed some light on the practical benefits and limitations of using factor analysis techniques on economic data. We explain in what sense the artificial data can be thought of having a factor structure, study the theoretical and finite sample properties of the principal components estimates of the factor space, investigate the substantive reason(s) for the good performance of di¤usion index forecasts, and assess the quality of the factor analysis of highly dissagregated data. In all our exercises, we explain the precise relationship between the factors and the basic macroeconomic shocks postulated by the model.

Bootstrapping high frequency data

Nous développons dans cette thèse, des méthodes de bootstrap pour les données financières de hautes fréquences. Les deux premiers essais focalisent sur les méthodes de bootstrap appliquées à l’approche de "pré-moyennement" et robustes à la présence d’erreurs de microstructure. Le "pré-moyennement" permet de réduire l’influence de l’effet de microstructure avant d’appliquer la volatilité réalisée. En se basant sur cette ap- proche d’estimation de la volatilité intégrée en présence d’erreurs de microstructure, nous développons plusieurs méthodes de bootstrap qui préservent la structure de dépendance et l’hétérogénéité dans la moyenne des données originelles. Le troisième essai développe une méthode de bootstrap sous l’hypothèse de Gaussianité locale des données financières de hautes fréquences. Le premier chapitre est intitulé: "Bootstrap inference for pre-averaged realized volatility based on non-overlapping returns". Nous proposons dans ce chapitre, des méthodes de bootstrap robustes à la présence d’erreurs de microstructure. Particulièrement nous nous sommes focalisés sur la volatilité réalisée utilisant des rendements "pré-moyennés" proposés par Podolskij et Vetter (2009), où les rendements "pré-moyennés" sont construits sur des blocs de rendements à hautes fréquences consécutifs qui ne se chevauchent pas. Le "pré-moyennement" permet de réduire l’influence de l’effet de microstructure avant d’appliquer la volatilité réalisée. Le non-chevauchement des blocs fait que les rendements "pré-moyennés" sont asymptotiquement indépendants, mais possiblement hétéroscédastiques. Ce qui motive l’application du wild bootstrap dans ce contexte. Nous montrons la validité théorique du bootstrap pour construire des intervalles de type percentile et percentile-t. Les simulations Monte Carlo montrent que le bootstrap peut améliorer les propriétés en échantillon fini de l’estimateur de la volatilité intégrée par rapport aux résultats asymptotiques, pourvu que le choix de la variable externe soit fait de façon appropriée. Nous illustrons ces méthodes en utilisant des données financières réelles. Le deuxième chapitre est intitulé : "Bootstrapping pre-averaged realized volatility under market microstructure noise". Nous développons dans ce chapitre une méthode de bootstrap par bloc basée sur l’approche "pré-moyennement" de Jacod et al. (2009), où les rendements "pré-moyennés" sont construits sur des blocs de rendements à haute fréquences consécutifs qui se chevauchent. Le chevauchement des blocs induit une forte dépendance dans la structure des rendements "pré-moyennés". En effet les rendements "pré-moyennés" sont m-dépendant avec m qui croît à une vitesse plus faible que la taille d’échantillon n. Ceci motive l’application d’un bootstrap par bloc spécifique. Nous montrons que le bloc bootstrap suggéré par Bühlmann et Künsch (1995) n’est valide que lorsque la volatilité est constante. Ceci est dû à l’hétérogénéité dans la moyenne des rendements "pré-moyennés" au carré lorsque la volatilité est stochastique. Nous proposons donc une nouvelle procédure de bootstrap qui combine le wild bootstrap et le bootstrap par bloc, de telle sorte que la dépendance sérielle des rendements "pré-moyennés" est préservée à l’intérieur des blocs et la condition d’homogénéité nécessaire pour la validité du bootstrap est respectée. Sous des conditions de taille de bloc, nous montrons que cette méthode est convergente. Les simulations Monte Carlo montrent que le bootstrap améliore les propriétés en échantillon fini de l’estimateur de la volatilité intégrée par rapport aux résultats asymptotiques. Nous illustrons cette méthode en utilisant des données financières réelles. Le troisième chapitre est intitulé: "Bootstrapping realized covolatility measures under local Gaussianity assumption". Dans ce chapitre nous montrons, comment et dans quelle mesure on peut approximer les distributions des estimateurs de mesures de co-volatilité sous l’hypothèse de Gaussianité locale des rendements. En particulier nous proposons une nouvelle méthode de bootstrap sous ces hypothèses. Nous nous sommes focalisés sur la volatilité réalisée et sur le beta réalisé. Nous montrons que la nouvelle méthode de bootstrap appliquée au beta réalisé était capable de répliquer les cummulants au deuxième ordre, tandis qu’il procurait une amélioration au troisième degré lorsqu’elle est appliquée à la volatilité réalisée. Ces résultats améliorent donc les résultats existants dans cette littérature, notamment ceux de Gonçalves et Meddahi (2009) et de Dovonon, Gonçalves et Meddahi (2013). Les simulations Monte Carlo montrent que le bootstrap améliore les propriétés en échantillon fini de l’estimateur de la volatilité intégrée par rapport aux résultats asymptotiques et les résultats de bootstrap existants. Nous illustrons cette méthode en utilisant des données financières réelles.

Calculs ab initio de structures électroniques et de leur dépendance en température avec la méthode GW

Cette thèse porte sur le calcul de structures électroniques dans les solides. À l'aide de la théorie de la fonctionnelle de densité, puis de la théorie des perturbations à N-corps, on cherche à calculer la structure de bandes des matériaux de façon aussi précise et efficace que possible. Dans un premier temps, les développements théoriques ayant mené à la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT), puis aux équations de Hedin sont présentés. On montre que l'approximation GW constitue une méthode pratique pour calculer la self-énergie, dont les résultats améliorent l'accord de la structure de bandes avec l'expérience par rapport aux calculs DFT. On analyse ensuite la performance des calculs GW dans différents oxydes transparents, soit le ZnO, le SnO2 et le SiO2. Une attention particulière est portée aux modèles de pôle de plasmon, qui permettent d'accélérer grandement les calculs GW en modélisant la matrice diélectrique inverse. Parmi les différents modèles de pôle de plasmon existants, celui de Godby et Needs s'avère être celui qui reproduit le plus fidèlement le calcul complet de la matrice diélectrique inverse dans les matériaux étudiés. La seconde partie de la thèse se concentre sur l'interaction entre les vibrations des atomes du réseau cristallin et les états électroniques. Il est d'abord montré comment le couplage électron-phonon affecte la structure de bandes à température finie et à température nulle, ce qu'on nomme la renormalisation du point zéro (ZPR). On applique ensuite la méthode GW au calcul du couplage électron-phonon dans le diamant. Le ZPR s'avère être fortement amplifié par rapport aux calculs DFT lorsque les corrections GW sont appliquées, améliorant l'accord avec les observations expérimentales.