A no-go result on the purification of quantum states

The information encoded in a quantum system is generally spoiled by the influences of its environment, leading to a transition from pure to mixed states. Reducing the mixedness of a state is a fundamental step in the quest for a feasible implementation of quantum technologies. Here we show that it is impossible to transfer part of such mixedness to a trash system without losing some of the initial information. Such loss is lower-bounded by a value determined by the properties of the initial state to purify. We discuss this interesting phenomenon and its consequences for general quantum information theory, linking it to the information theoretical primitive embodied by the quantum state-merging protocol and to the behaviour of general quantum correlations.

Entanglement properties of spin models in triangular lattices

The different quantum phases appearing in strongly correlated systems as well as their transitions are closely related to the entanglement shared between their constituents. In 1D systems, it is well established that the entanglement spectrum is linked to the symmetries that protect the different quantum phases. This relation extends even further at the phase transitions where a direct link associates the entanglement spectrum to the conformal field theory describing the former. For 2D systems much less is known. The lattice geometry becomes a crucial aspect to consider when studying entanglement and phase transitions. Here, we analyze the entanglement properties of triangular spin lattice models by also considering concepts borrowed from quantum information theory such as geometric entanglement.

Exposants géométriques des modèles de boucles dilués et idempotents des TL-modules de la chaîne de spins XXZ

Cette thèse porte sur les phénomènes critiques survenant dans les modèles bidimensionnels sur réseau. Les résultats sont l'objet de deux articles : le premier porte sur la mesure d'exposants critiques décrivant des objets géométriques du réseau et, le second, sur la construction d'idempotents projetant sur des modules indécomposables de l'algèbre de Temperley-Lieb pour la chaîne de spins XXZ. Le premier article présente des expériences numériques Monte Carlo effectuées pour une famille de modèles de boucles en phase diluée. Baptisés "dilute loop models (DLM)", ceux-ci sont inspirés du modèle O(n) introduit par Nienhuis (1990). La famille est étiquetée par les entiers relativement premiers p et p' ainsi que par un paramètre d'anisotropie. Dans la limite thermodynamique, il est pressenti que le modèle DLM(p,p') soit décrit par une théorie logarithmique des champs conformes de charge centrale c(\kappa)=13-6(\kappa+1/\kappa), où \kappa=p/p' est lié à la fugacité du gaz de boucles \beta=-2\cos\pi/\kappa, pour toute valeur du paramètre d'anisotropie. Les mesures portent sur les exposants critiques représentant la loi d'échelle des objets géométriques suivants : l'interface, le périmètre externe et les liens rouges. L'algorithme Metropolis-Hastings employé, pour lequel nous avons introduit de nombreuses améliorations spécifiques aux modèles dilués, est détaillé. Un traitement statistique rigoureux des données permet des extrapolations coïncidant avec les prédictions théoriques à trois ou quatre chiffres significatifs, malgré des courbes d'extrapolation aux pentes abruptes. Le deuxième article porte sur la décomposition de l'espace de Hilbert \otimes^nC^2 sur lequel la chaîne XXZ de n spins 1/2 agit. La version étudiée ici (Pasquier et Saleur (1990)) est décrite par un hamiltonien H_{XXZ}(q) dépendant d'un paramètre q\in C^\times et s'exprimant comme une somme d'éléments de l'algèbre de Temperley-Lieb TL_n(q). Comme pour les modèles dilués, le spectre de la limite continue de H_{XXZ}(q) semble relié aux théories des champs conformes, le paramètre q déterminant la charge centrale. Les idempotents primitifs de End_{TL_n}\otimes^nC^2 sont obtenus, pour tout q, en termes d'éléments de l'algèbre quantique U_qsl_2 (ou d'une extension) par la dualité de Schur-Weyl quantique. Ces idempotents permettent de construire explicitement les TL_n-modules indécomposables de \otimes^nC^2. Ceux-ci sont tous irréductibles, sauf si q est une racine de l'unité. Cette exception est traitée séparément du cas où q est générique. Les problèmes résolus par ces articles nécessitent une grande variété de résultats et d'outils. Pour cette raison, la thèse comporte plusieurs chapitres préparatoires. Sa structure est la suivante. Le premier chapitre introduit certains concepts communs aux deux articles, notamment une description des phénomènes critiques et de la théorie des champs conformes. Le deuxième chapitre aborde brièvement la question des champs logarithmiques, l'évolution de Schramm-Loewner ainsi que l'algorithme de Metropolis-Hastings. Ces sujets sont nécessaires à la lecture de l'article "Geometric Exponents of Dilute Loop Models" au chapitre 3. Le quatrième chapitre présente les outils algébriques utilisés dans le deuxième article, "The idempotents of the TL_n-module \otimes^nC^2 in terms of elements of U_qsl_2", constituant le chapitre 5. La thèse conclut par un résumé des résultats importants et la proposition d'avenues de recherche qui en découlent.

From Classical to Quantum Secret Sharing

Dans ce mémoire, nous nous pencherons tout particulièrement sur une primitive cryptographique connue sous le nom de partage de secret. Nous explorerons autant le domaine classique que le domaine quantique de ces primitives, couronnant notre étude par la présentation d’un nouveau protocole de partage de secret quantique nécessitant un nombre minimal de parts quantiques c.-à-d. une seule part quantique par participant. L’ouverture de notre étude se fera par la présentation dans le chapitre préliminaire d’un survol des notions mathématiques sous-jacentes à la théorie de l’information quantique ayant pour but primaire d’établir la notation utilisée dans ce manuscrit, ainsi que la présentation d’un précis des propriétés mathématique de l’état de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) fréquemment utilisé dans les domaines quantiques de la cryptographie et des jeux de la communication. Mais, comme nous l’avons mentionné plus haut, c’est le domaine cryptographique qui restera le point focal de cette étude. Dans le second chapitre, nous nous intéresserons à la théorie des codes correcteurs d’erreurs classiques et quantiques qui seront à leur tour d’extrême importances lors de l’introduction de la théorie quantique du partage de secret dans le chapitre suivant. Dans la première partie du troisième chapitre, nous nous concentrerons sur le domaine classique du partage de secret en présentant un cadre théorique général portant sur la construction de ces primitives illustrant tout au long les concepts introduits par des exemples présentés pour leurs intérêts autant historiques que pédagogiques. Ceci préparera le chemin pour notre exposé sur la théorie quantique du partage de secret qui sera le focus de la seconde partie de ce même chapitre. Nous présenterons alors les théorèmes et définitions les plus généraux connus à date portant sur la construction de ces primitives en portant un intérêt particulier au partage quantique à seuil. Nous montrerons le lien étroit entre la théorie quantique des codes correcteurs d’erreurs et celle du partage de secret. Ce lien est si étroit que l’on considère les codes correcteurs d’erreurs quantiques étaient de plus proches analogues aux partages de secrets quantiques que ne leur étaient les codes de partage de secrets classiques. Finalement, nous présenterons un de nos trois résultats parus dans A. Broadbent, P.-R. Chouha, A. Tapp (2009); un protocole sécuritaire et minimal de partage de secret quantique a seuil (les deux autres résultats dont nous traiterons pas ici portent sur la complexité de la communication et sur la simulation classique de l’état de GHZ).

Topological order in a broken-symmetry state

À travers cette thèse, nous revisitons les différentes étapes qui ont conduit à la découverte des isolants topologiques, suite à quoi nous nous penchons sur la question à savoir si une phase topologiquement non-triviale peut coexister avec un état de symétrie brisée. Nous abordons les concepts les plus importants dans la description de ce nouvel état de la matière, et tentons de comprendre les conséquences fascinantes qui en découlent. Il s’agit d’un champ de recherche fortement alimenté par la théorie, ainsi, l’étude du cadre théorique est nécessaire pour atteindre une compréhension profonde du sujet. Le chapitre 1 comprend un retour sur l’effet de Hall quantique, afin de motiver les sections subséquentes. Le chapitre 2 présente la première réalisation d’un isolant topologique à deux dimensions dans un puits quantique de HgTe/CdTe, suite à quoi ces résultats sont généralisés à trois dimensions. Nous verrons ensuite comment incorporer des principes de topologie dans la caractérisation d’un système spécifique, à l’aide d’invariants topologiques. Le chapitre 3 introduit le premier dérivé de l’état isolant topologique, soit l’isolant topologique antiferromagnétique (ITAF). Après avoir motivé théoriquement le sujet et introduit un invariant propre à ce nouvel état ITAF, qui est couplé à l’ordre de Néel, nous explorons, dans les chapitres 4 et 5, deux candidats de choix pour la phase ITAF : GdBiPt et NdBiPt.

Studies on Some Aspects of the Physics of the Early Universe Using Gravitationally Coupled Scalar Field –

This thesis deals with some aspects of the Physics of the early universe, like phase transitions, bubble nucleations and premodial density perturbations which lead to the formation structures in the universe. Quantum aspects of the gravitational interaction play an essential role in retical high-energy physics. The questions of the quantum gravity are naturally connected with early universe and Grand Unification Theories. In spite of numerous efforts, the various problems of quantum gravity remain still unsolved. In this condition, the consideration of different quantum gravity models is an inevitable stage to study the quantum aspects of gravitational interaction. The important role of gravitationally coupled scalar field in the physics of the early universe is discussed in this thesis. The study shows that the scalar-gravitational coupling and the scalar curvature did play a crucial role in determining the nature of phase transitions that took place in the early universe. The key idea in studying the formation structure in the universe is that of gravitational instability.

Continuum Double Exchange Model

We present a continuum model for doped manganites which consist of two species of quantum spin-1 / 2 fermions interacting with classical spin fields. The phase structure at zero temperature turns out to be considerably rich: antiferromagnetic insulator, antiferromagnetic two band conducting, canted two band conducting, canted one band conducting, and ferromagnetic one band conducting phases are identified, all of them being stable against phase separation. There are also regions in the phase diagram where phase separation occurs

Geometric Algebra and Einstein’s Electron

This thesis entitled Geometric algebra and einsteins electron: Deterministic field theories .The work in this thesis clarifies an important part of Koga’s theory.Koga also developed a theory of the electron incorporating its gravitational field, using his substitutes for Einstein’s equation.The third chapter deals with the application of geometric algebra to Koga’s approach of the Dirac equation. In chapter 4 we study some aspects of the work of mendel sachs (35,36,37,).Sachs stated aim is to show how quantum mechanics is a limiting case of a general relativistic unified field theory.Chapter 5 contains a critical study and comparison of the work of Koga and Sachs. In particular, we conclude that the incorporation of Mach’s principle is not necessary in Sachs’s treatment of the Dirac equation.

Influence of the driving mechanism on the response of systems with athermal dynamics: The example of the random-field Ising model

We investigate the influence of the driving mechanism on the hysteretic response of systems with athermal dynamics. In the framework of local mean-field theory at finite temperature (but neglecting thermally activated processes), we compare the rate-independent hysteresis loops obtained in the random field Ising model when controlling either the external magnetic field H or the extensive magnetization M. Two distinct behaviors are observed, depending on disorder strength. At large disorder, the H-driven and M-driven protocols yield identical hysteresis loops in the thermodynamic limit. At low disorder, when the H-driven magnetization curve is discontinuous (due to the presence of a macroscopic avalanche), the M-driven loop is reentrant while the induced field exhibits strong intermittent fluctuations and is only weakly self-averaging. The relevance of these results to the experimental observations in ferromagnetic materials, shape memory alloys, and other disordered systems is discussed.

Atomic parity nonconservation, neutron radii, and effective field theories of nuclei

Accurately calibrated effective field theories are used to compute atomic parity nonconserving (APNC) observables. Although accurately calibrated, these effective field theories predict a large spread in the neutron skin of heavy nuclei. Whereas the neutron skin is strongly correlated to numerous physical observables, in this contribution we focus on its impact on new physics through APNC observables. The addition of an isoscalar-isovector coupling constant to the effective Lagrangian generates a wide range of values for the neutron skin of heavy nuclei without compromising the success of the model in reproducing well-constrained nuclear observables. Earlier studies have suggested that the use of isotopic ratios of APNC observables may eliminate their sensitivity to atomic structure. This leaves nuclear structure uncertainties as the main impediment for identifying physics beyond the standard model. We establish that uncertainties in the neutron skin of heavy nuclei are at present too large to measure isotopic ratios to better than the 0.1% accuracy required to test the standard model. However, we argue that such uncertainties will be significantly reduced by the upcoming measurement of the neutron radius in 208^Pb at the Jefferson Laboratory.

Entanglement analysis of atomic processes and quantum registers

During recent years, quantum information processing and the study of N−qubit quantum systems have attracted a lot of interest, both in theory and experiment. Apart from the promise of performing efficient quantum information protocols, such as quantum key distribution, teleportation or quantum computation, however, these investigations also revealed a great deal of difficulties which still need to be resolved in practise. Quantum information protocols rely on the application of unitary and non–unitary quantum operations that act on a given set of quantum mechanical two-state systems (qubits) to form (entangled) states, in which the information is encoded. The overall system of qubits is often referred to as a quantum register. Today the entanglement in a quantum register is known as the key resource for many protocols of quantum computation and quantum information theory. However, despite the successful demonstration of several protocols, such as teleportation or quantum key distribution, there are still many open questions of how entanglement affects the efficiency of quantum algorithms or how it can be protected against noisy environments. To facilitate the simulation of such N−qubit quantum systems and the analysis of their entanglement properties, we have developed the Feynman program. The program package provides all necessary tools in order to define and to deal with quantum registers, quantum gates and quantum operations. Using an interactive and easily extendible design within the framework of the computer algebra system Maple, the Feynman program is a powerful toolbox not only for teaching the basic and more advanced concepts of quantum information but also for studying their physical realization in the future. To this end, the Feynman program implements a selection of algebraic separability criteria for bipartite and multipartite mixed states as well as the most frequently used entanglement measures from the literature. Additionally, the program supports the work with quantum operations and their associated (Jamiolkowski) dual states. Based on the implementation of several popular decoherence models, we provide tools especially for the quantitative analysis of quantum operations. As an application of the developed tools we further present two case studies in which the entanglement of two atomic processes is investigated. In particular, we have studied the change of the electron-ion spin entanglement in atomic photoionization and the photon-photon polarization entanglement in the two-photon decay of hydrogen. The results show that both processes are, in principle, suitable for the creation and control of entanglement. Apart from process-specific parameters like initial atom polarization, it is mainly the process geometry which offers a simple and effective instrument to adjust the final state entanglement. Finally, for the case of the two-photon decay of hydrogenlike systems, we study the difference between nonlocal quantum correlations, as given by the violation of the Bell inequality and the concurrence as a true entanglement measure.

A new efficient approach to the direct restricted active space self-consistent field method

An implicitly parallel method for integral-block driven restricted active space self-consistent field (RASSCF) algorithms is presented. The approach is based on a model space representation of the RAS active orbitals with an efficient expansion of the model subspaces. The applicability of the method is demonstrated with a RASSCF investigation of the first two excited states of indole

Quantum similarity topological indices definition, analysis and comparison with classical molecular topological indices

Es mostra que, gracies a una extensió en la definició dels Índexs Moleculars Topològics, s'arriba a la formulació d'índexs relacionats amb la teoria de la Semblança Molecular Quàntica. Es posa de manifest la connexió entre les dues metodologies: es revela que un marc de treball teòric sòlidament fonamentat sobre la teoria de la Mecànica Quàntica es pot connectar amb una de les tècniques més antigues relacionades amb els estudis de QSPR. Es mostren els resultats per a dos casos d'exemple d'aplicació d'ambdues metodologies

Molecular quantum similarity in QSAR: applications in computer-aided molecular design

La present tesi està centrada en l'ús de la Teoria de Semblança Quàntica per a calcular descriptors moleculars. Aquests descriptors s'utilitzen com a paràmetres estructurals per a derivar correlacions entre l'estructura i la funció o activitat experimental per a un conjunt de compostos. Els estudis de Relacions Quantitatives Estructura-Activitat són d'especial interès per al disseny racional de molècules assistit per ordinador i, en particular, per al disseny de fàrmacs. Aquesta memòria consta de quatre parts diferenciades. En els dos primers blocs es revisen els fonaments de la teoria de semblança quàntica, així com l'aproximació topològica basada en la teoria de grafs. Ambdues teories es fan servir per a calcular els descriptors moleculars. En el segon bloc, s'ha de remarcar la programació i implementació de programari per a calcular els anomenats índexs topològics de semblança quàntica. La tercera secció detalla les bases de les Relacions Quantitatives Estructura-Activitat i, finalment, el darrer apartat recull els resultats d'aplicació obtinguts per a diferents sistemes biològics.

Finite-stretching corrections to the Milner-Witten-Cates theory for polymer brushes

This paper investigates finite-stretching corrections to the classical Milner-Witten-Cates theory for semi-dilute polymer brushes in a good solvent. The dominant correction to the free energy originates from an entropic repulsion caused by the impenetrability of the grafting surface, which produces a depletion of segments extending a distance $\mu \propto L^{-1}$ from the substrate, where $L$ is the classical brush height. The next most important correction is associated with the translational entropy of the chain ends, which creates the well-known tail where a small population of chains extend beyond the classical brush height by a distance $\xi \propto L^{-1/3}$. The validity of these corrections is confirmed by quantitative comparison with numerical self-consistent field theory.