Quasimode theory of quantum optical processes in photonic band gap materials

This paper deals with atomic systems coupled to a structured reservoir of quantum EM field modes, with particular relevance to atoms interacting with the field in photonic band gap materials. The case of high Q cavities has been treated elsewhere using Fano diagonalization based on a quasimode approach, showing that the cavity quasimodes are responsible for pseudomodes introduced to treat non-Markovian behaviour. The paper considers a simple model of a photonic band gap case, where the spatially dependent permittivity consists of a constant term plus a small spatially periodic term that leads to a narrow band gap in the spectrum of mode frequencies. Most treatments of photonic band gap materials are based on the true modes, obtained numerically by solving the Helmholtz equation for the actual spatially periodic permittivity. Here the field modes are first treated in terms of a simpler quasimode approach, in which the quasimodes are plane waves associated with the constant permittivity term. Couplings between the quasimodes occur owing to the small periodic term in the permittivity, with selection rules for the coupled modes being related to the reciprocal lattice vectors. This produces a field Hamiltonian in quasimode form. A matrix diagonalization method may be applied to relate true mode annihilation operators to those for quasimodes. The atomic transitions are coupled to all the quasimodes, and the true mode atom-EM field coupling constants (one-photon Rabi frequencies) are related to those for the quasimodes and also expressions are obtained for the true mode density. The results for the one-photon Rabi frequencies differ from those assumed in other work. Expressions for atomic decay rates are obtained using the Fermi Golden rule, although these are valid only well away from the band gaps.

Quantum field theory approach to the optical conductivity of strained and deformed graphene

The computation of the optical conductivity of strained and deformed graphene is discussed within the framework of quantum field theory in curved spaces. The analytical solutions of the Dirac equation in an arbitrary static background geometry for one dimensional periodic deformations are computed, together with the corresponding Dirac propagator. Analytical expressions are given for the optical conductivity of strained and deformed graphene associated with both intra and interbrand transitions. The special case of small deformations is discussed and the result compared to the prediction of the tight-binding model.

Fuzzy set Theory and Quantum Chemistry

Es discuteixen breument algunes consideracions sobre l'aplicació de la Teoria delsConjunts difusos a la Química quàntica. Es demostra aqui que molts conceptes químics associats a la teoria són adequats per ésser connectats amb l'estructura dels Conjunts difusos. També s'explica com algunes descripcions teoriques dels observables quàntics espotencien tractant-les amb les eines associades als esmentats Conjunts difusos. La funciódensitat es pren com a exemple de l'ús de distribucions de possibilitat al mateix temps queles distribucions de probabilitat quàntiques

Vertically coupled quantum dots in the local spin-density functional theory

We have investigated the structure of double quantum dots vertically coupled at zero magnetic field within local-spin-density functional theory. The dots are identical and have a finite width, and the whole system is axially symmetric. We first discuss the effect of thickness on the addition spectrum of one single dot. Next we describe the structure of coupled dots as a function of the interdot distance for different electron numbers. Addition spectra, Hund's rule, and molecular-type configurations are discussed. It is shown that self-interaction corrections to the density-functional results do not play a very important role in the calculated addition spectra

Optical response of two-dimensional few-electron concentric double quantum rings: A local-spin-density-functional theory study

We have investigated the dipole charge- and spin-density response of few-electron two-dimensional concentric nanorings as a function of the intensity of a erpendicularly applied magnetic field. We show that the dipole response displays signatures associated with the localization of electron states in the inner and outer ring favored by the perpendicularly applied magnetic field. Electron localization produces a more fragmented spectrum due to the appearance of additional edge excitations in the inner and outer ring.

Processes models, environmental analyses, and cognitive architectures: Quo vadis quantum probability theory? (Commentary on Pothos and Busemeyer)

A lot of research in cognition and decision making suffers from a lack of formalism. The quantum probability program could help to improve this situation, but we wonder whether it would provide even more added value if its presumed focus on outcome models were complemented by process models that are, ideally, informed by ecological analyses and integrated into cognitive architectures.

Vacuum decay in quantum field theory

We study the contribution to vacuum decay in field theory due to the interaction between the long- and short-wavelength modes of the field. The field model considered consists of a scalar field of mass M with a cubic term in the potential. The dynamics of the long-wavelength modes becomes diffusive in this interaction. The diffusive behavior is described by the reduced Wigner function that characterizes the state of the long-wavelength modes. This function is obtained from the whole Wigner function by integration of the degrees of freedom of the short-wavelength modes. The dynamical equation for the reduced Wigner function becomes a kind of Fokker-Planck equation which is solved with suitable boundary conditions enforcing an initial metastable vacuum state trapped in the potential well. As a result a finite activation rate is found, even at zero temperature, for the formation of true vacuum bubbles of size M-1. This effect makes a substantial contribution to the total decay rate.

Dissipation, noise and vacuum decay in quantum field theory

We study the process of vacuum decay in quantum field theory focusing on the stochastic aspects of the interaction between long- and short-wavelength modes. This interaction results in a diffusive behavior of the reduced Wigner function describing the state of long-wavelength modes, and thereby to a finite activation rate even at zero temperature. This effect can make a substantial contribution to the total decay rate.

The decoupling approach to quantum information theory

La théorie de l'information quantique étudie les limites fondamentales qu'imposent les lois de la physique sur les tâches de traitement de données comme la compression et la transmission de données sur un canal bruité. Cette thèse présente des techniques générales permettant de résoudre plusieurs problèmes fondamentaux de la théorie de l'information quantique dans un seul et même cadre. Le théorème central de cette thèse énonce l'existence d'un protocole permettant de transmettre des données quantiques que le receveur connaît déjà partiellement à l'aide d'une seule utilisation d'un canal quantique bruité. Ce théorème a de plus comme corollaires immédiats plusieurs théorèmes centraux de la théorie de l'information quantique. Les chapitres suivants utilisent ce théorème pour prouver l'existence de nouveaux protocoles pour deux autres types de canaux quantiques, soit les canaux de diffusion quantiques et les canaux quantiques avec information supplémentaire fournie au transmetteur. Ces protocoles traitent aussi de la transmission de données quantiques partiellement connues du receveur à l'aide d'une seule utilisation du canal, et ont comme corollaires des versions asymptotiques avec et sans intrication auxiliaire. Les versions asymptotiques avec intrication auxiliaire peuvent, dans les deux cas, être considérées comme des versions quantiques des meilleurs théorèmes de codage connus pour les versions classiques de ces problèmes. Le dernier chapitre traite d'un phénomène purement quantique appelé verrouillage: il est possible d'encoder un message classique dans un état quantique de sorte qu'en lui enlevant un sous-système de taille logarithmique par rapport à sa taille totale, on puisse s'assurer qu'aucune mesure ne puisse avoir de corrélation significative avec le message. Le message se trouve donc «verrouillé» par une clé de taille logarithmique. Cette thèse présente le premier protocole de verrouillage dont le critère de succès est que la distance trace entre la distribution jointe du message et du résultat de la mesure et le produit de leur marginales soit suffisamment petite.

Does Chance hide Necessity? : a reevaluation of the debate ‘determinism - indeterminism’ in the light of quantum mechanics and probability theory

Dans cette thèse l’ancienne question philosophique “tout événement a-t-il une cause ?” sera examinée à la lumière de la mécanique quantique et de la théorie des probabilités. Aussi bien en physique qu’en philosophie des sciences la position orthodoxe maintient que le monde physique est indéterministe. Au niveau fondamental de la réalité physique – au niveau quantique – les événements se passeraient sans causes, mais par chance, par hasard ‘irréductible’. Le théorème physique le plus précis qui mène à cette conclusion est le théorème de Bell. Ici les prémisses de ce théorème seront réexaminées. Il sera rappelé que d’autres solutions au théorème que l’indéterminisme sont envisageables, dont certaines sont connues mais négligées, comme le ‘superdéterminisme’. Mais il sera argué que d’autres solutions compatibles avec le déterminisme existent, notamment en étudiant des systèmes physiques modèles. Une des conclusions générales de cette thèse est que l’interprétation du théorème de Bell et de la mécanique quantique dépend crucialement des prémisses philosophiques desquelles on part. Par exemple, au sein de la vision d’un Spinoza, le monde quantique peut bien être compris comme étant déterministe. Mais il est argué qu’aussi un déterminisme nettement moins radical que celui de Spinoza n’est pas éliminé par les expériences physiques. Si cela est vrai, le débat ‘déterminisme – indéterminisme’ n’est pas décidé au laboratoire : il reste philosophique et ouvert – contrairement à ce que l’on pense souvent. Dans la deuxième partie de cette thèse un modèle pour l’interprétation de la probabilité sera proposé. Une étude conceptuelle de la notion de probabilité indique que l’hypothèse du déterminisme aide à mieux comprendre ce que c’est qu’un ‘système probabiliste’. Il semble que le déterminisme peut répondre à certaines questions pour lesquelles l’indéterminisme n’a pas de réponses. Pour cette raison nous conclurons que la conjecture de Laplace – à savoir que la théorie des probabilités présuppose une réalité déterministe sous-jacente – garde toute sa légitimité. Dans cette thèse aussi bien les méthodes de la philosophie que de la physique seront utilisées. Il apparaît que les deux domaines sont ici solidement reliés, et qu’ils offrent un vaste potentiel de fertilisation croisée – donc bidirectionnelle.

Interactive quantum information theory

La théorie de l'information quantique s'est développée à une vitesse fulgurante au cours des vingt dernières années, avec des analogues et extensions des théorèmes de codage de source et de codage sur canal bruité pour la communication unidirectionnelle. Pour la communication interactive, un analogue quantique de la complexité de la communication a été développé, pour lequel les protocoles quantiques peuvent performer exponentiellement mieux que les meilleurs protocoles classiques pour certaines tâches classiques. Cependant, l'information quantique est beaucoup plus sensible au bruit que l'information classique. Il est donc impératif d'utiliser les ressources quantiques à leur plein potentiel. Dans cette thèse, nous étudions les protocoles quantiques interactifs du point de vue de la théorie de l'information et étudions les analogues du codage de source et du codage sur canal bruité. Le cadre considéré est celui de la complexité de la communication: Alice et Bob veulent faire un calcul quantique biparti tout en minimisant la quantité de communication échangée, sans égard au coût des calculs locaux. Nos résultats sont séparés en trois chapitres distincts, qui sont organisés de sorte à ce que chacun puisse être lu indépendamment. Étant donné le rôle central qu'elle occupe dans le contexte de la compression interactive, un chapitre est dédié à l'étude de la tâche de la redistribution d'état quantique. Nous prouvons des bornes inférieures sur les coûts de communication nécessaires dans un contexte interactif. Nous prouvons également des bornes atteignables avec un seul message, dans un contexte d'usage unique. Dans un chapitre subséquent, nous définissons une nouvelle notion de complexité de l'information quantique. Celle-ci caractérise la quantité d'information, plutôt que de communication, qu'Alice et Bob doivent échanger pour calculer une tâche bipartie. Nous prouvons beaucoup de propriétés structurelles pour cette quantité, et nous lui donnons une interprétation opérationnelle en tant que complexité de la communication quantique amortie. Dans le cas particulier d'entrées classiques, nous donnons une autre caractérisation permettant de quantifier le coût encouru par un protocole quantique qui oublie de l'information classique. Deux applications sont présentées: le premier résultat général de somme directe pour la complexité de la communication quantique à plus d'une ronde, ainsi qu'une borne optimale, à un terme polylogarithmique près, pour la complexité de la communication quantique avec un nombre de rondes limité pour la fonction « ensembles disjoints ». Dans un chapitre final, nous initions l'étude de la capacité interactive quantique pour les canaux bruités. Étant donné que les techniques pour distribuer de l'intrication sont bien étudiées, nous nous concentrons sur un modèle avec intrication préalable parfaite et communication classique bruitée. Nous démontrons que dans le cadre plus ardu des erreurs adversarielles, nous pouvons tolérer un taux d'erreur maximal de une demie moins epsilon, avec epsilon plus grand que zéro arbitrairement petit, et ce avec un taux de communication positif. Il s'ensuit que les canaux avec bruit aléatoire ayant une capacité positive pour la transmission unidirectionnelle ont une capacité positive pour la communication interactive quantique. Nous concluons avec une discussion de nos résultats et des directions futures pour ce programme de recherche sur une théorie de l'information quantique interactive.