Experimental linear-optics simulation of multipartite non-locality in the ground state of a quantum Ising ring

Critical phenomena involve structural changes in the correlations of its constituents. Such changes can be reproduced and characterized in quantum simulators able to tackle medium-to-large-size systems. We demonstrate these concepts by engineering the ground state of a three-spin Ising ring by using a pair of entangled photons. The effect of a simulated magnetic field, leading to a critical modification of the correlations within the ring, is analysed by studying two- and three-spin entanglement. In particular, we connect the violation of a multipartite Bell inequality with the amount of tripartite entanglement in our ring.

Dynamical symmetries and crossovers in a three-spin system with collective dissipation

We consider the non-equilibrium dynamics of a simple system consisting of interacting spin-1/2 particles subjected to a collective damping. The model is close to situations that can be engineered in hybrid electro/opto-mechanical settings. Making use of large-deviation theory, we find a Gallavotti-Cohen symmetry in the dynamics of the system as well as evidence for the coexistence of two dynamical phases with different activity levels. We show that additional damping processes smooth out this behavior. Our analytical results are backed up by Monte Carlo simulations that reveal the nature of the trajectories contributing to the different dynamical phases.

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.

Irreversibility and the Arrow of Time in a Quenched Quantum System

Irreversibility is one of the most intriguing concepts in physics. While microscopic physical laws are perfectly reversible, macroscopic average behavior has a preferred direction of time. According to the second law of thermodynamics, this arrow of time is associated with a positive mean entropy production. Using a nuclear magnetic resonance setup, we measure the nonequilibrium entropy produced in an isolated spin-1/2 system following fast quenches of an external magnetic field and experimentally demonstrate that it is equal to the entropic distance, expressed by the Kullback-Leibler divergence, between a microscopic process and its time-reverse. Our result addresses the concept of irreversibility from a microscopic quantum standpoint.

The finite bandwidth model for spin fluctuations in Pd

The frequency dependence of the electron-spin fluctuation spectrum, P(Q), is calculated in the finite bandwidth model. We find that for Pd, which has a nearly full d-band, the magnitude, the range, and the peak frequency of P(Q) are greatly reduced from those in the standard spin fluctuation theory. The electron self-energy due to spin fluctuations is calculated within the finite bandwidth model. Vertex corrections are examined, and we find that Migdal's theorem is valid for spin fluctuations in the nearly full band. The conductance of a normal metal-insulator-normal metal tunnel junction is examined when spin fluctuations are present in one electrode. We find that for the nearly full band, the momentum independent self-energy due to spin fluctuations enters the expression for the tunneling conductance with approximately the same weight as the self-energy due to phonons. The effect of spin fluctuations on the tunneling conductance is slight within the finite bandwidth model for Pd. The effect of spin fluctuations on the tunneling conductance of a metal with a less full d-band than Pd may be more pronounced. However, in this case the tunneling conductance is not simply proportional to the self-energy.

Systèmes superintégrables avec spin et intégrales du mouvement d’ordre deux

Ce mémoire est une partie d’un programme de recherche qui étudie la superintégrabilité des systèmes avec spin. Plus particulièrement, nous nous intéressons à un hamiltonien avec interaction spin-orbite en trois dimensions admettant une intégrale du mouvement qui est un polynôme matriciel d’ordre deux dans l’impulsion. Puisque nous considérons un hamiltonien invariant sous rotation et sous parité, nous classifions les intégrales du mouvement selon des multiplets irréductibles de O(3). Nous calculons le commutateur entre l’hamiltonien et un opérateur général d’ordre deux dans l’impulsion scalaire, pseudoscalaire, vecteur et pseudovecteur. Nous donnons la classification complète des systèmes admettant des intégrales du mouvement scalaire et vectorielle. Nous trouvons une condition nécessaire à remplir pour le potentiel sous forme d’une équation différentielle pour les cas pseudo-scalaire et pseudo-vectoriel. Nous utilisons la réduction par symétrie pour obtenir des solutions particulières de ces équations.

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.

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.

Current-density-functional approach to large quantum dots in intense magnetic fields

Within current-density-functional theory, we have studied a quantum dot made of 210 electrons confined in a disk geometry. The ground state of this large dot exhibits some features as a function of the magnetic field (Beta) that can be attributed in a clear way to the formation of compressible and incompressible states of the system. The orbital and spin angular momenta, the total energy, ionization and electron chemical potentials of the ground state, as well as the frequencies of far-infrared edge modes are calculated as a function of Beta, and compared with available experimental and theoretical results.

Density-functional calculations of magnetoplasmons in quantum rings

We have studied the structure and dipole charge-density response of nanorings as a function of the magnetic field using local-spin-density-functional theory. Two small rings consisting of 12 and 22 electrons confined by a positively charged background are used to represent the cases of narrow and wide rings. The results are qualitatively compared with experimental data existing on microrings and on antidots. A smaller ring containing five electrons is also analyzed to allow for a closer comparison with a recent experiment on a two-electron quantum ring.

Ground-state self-consistent calculation of quantum dots under magnetic fields: Addition spectrum

A density-functional self-consistent calculation of the ground-state electronic density of quantum dots under an arbitrary magnetic field is performed. We consider a parabolic lateral confining potential. The addition energy, E(N+1)-E(N), where N is the number of electrons, is compared with experimental data and the different contributions to the energy are analyzed. The Hamiltonian is modeled by a density functional, which includes the exchange and correlation interactions and the local formation of Landau levels for different equilibrium spin populations. We obtain an analytical expression for the critical density under which spontaneous polarization, induced by the exchange interaction, takes place.

Magnetic-field dependence of hole levels in self-assembled InGaAs quantum dots

Recent magnetotransport experiments of holes in InGaAs quantum dots [D. Reuter, P. Kailuweit, A. D. Wieck, U. Zeitler, O. Wibbelhoff, C. Meier, A. Lorke, and J. C. Maan, Phys. Rev. Lett. 94, 026808 (2005)] are interpreted by employing a multiband k¿p Hamiltonian, which considers the interaction between heavy hole and light hole subbands explicitly. No need of invoking an incomplete energy shell filling is required within this model. The crucial role we ascribe to the heavy hole-light hole interaction is further supported by one-band local-spin-density functional calculations, which show that Coulomb interactions do not induce any incomplete hole shell filling and therefore cannot account for the experimental magnetic field dispersion.

Electronic structure of few-electron concentric double quantum rings

The ground state structure of few-electron concentric double quantum rings is investigated within the local spin density approximation. Signatures of inter-ring coupling in the addition energy spectrum are identified and discussed. We show that the electronic configurations in these structures can be greatly modulated by the inter-ring distance: At short and long distances the low-lying electron states localize in the inner and outer rings, respectively, and the energy structure is essentially that of an isolated single quantum ring. However, at intermediate distances the electron states localized in the inner and the outer ring become quasidegenerate and a rather entangled, strongly-correlated system is formed.

Vertically coupled double quantum rings at zero magnetic field

Within local-spin-density functional theory, we have investigated the ¿dissociation¿ of few-electron circular vertical semiconductor double quantum ring artificial molecules at zero magnetic field as a function of interring distance. In a first step, the molecules are constituted by two identical quantum rings. When the rings are quantum mechanically strongly coupled, the electronic states are substantially delocalized, and the addition energy spectra of the artificial molecule resemble those of a single quantum ring in the few-electron limit. When the rings are quantum mechanically weakly coupled, the electronic states in the molecule are substantially localized in one ring or the other, although the rings can be electrostatically coupled. The effect of a slight mismatch introduced in the molecules from nominally identical quantum wells, or from changes in the inner radius of the constituent rings, induces localization by offsetting the energy levels in the quantum rings. This plays a crucial role in the appearance of the addition spectra as a function of coupling strength particularly in the weak coupling limit.