Anderson localization and momentum-space entanglement

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Non-Markovianity through flow of information between a system and an environment

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Busca quântica de dados XML usando algoritmo de Grover

This paper presents a quantum search algorithm implementation with small modifications. The algorithm idea is to be hybrid, capable to run on classical systems and quantum systems. We present the concepts of quantum search and introduced a pseudo-framework able to generate code for classical computers (C++) and quantum computers (QCL). The algorithms were submitted to simulations, which resulted in a comparative study of the operation of Grover’s algorithm on both systems, carrying out searches in a mass of data in XML format files. As a result, we see very similar numbers between classical and quantum systems, this creates an expectation that the search in real quantum computers is much more efficient.

Dissipation effects in random transverse-field Ising chains

We study the effects of Ohmic, super-Ohmic, and sub-Ohmic dissipation on the zero-temperature quantum phase transition in the random transverse-field Ising chain by means of an (asymptotically exact) analytical strong-disorder renormalization-group approach. We find that Ohmic damping destabilizes the infinite-randomness critical point and the associated quantum Griffiths singularities of the dissipationless system. The quantum dynamics of large magnetic clusters freezes completely, which destroys the sharp phase transition by smearing. The effects of sub-Ohmic dissipation are similar and also lead to a smeared transition. In contrast, super-Ohmic damping is an irrelevant perturbation; the critical behavior is thus identical to that of the dissipationless system. We discuss the resulting phase diagrams, the behavior of various observables, and the implications to higher dimensions and experiments.

Spectral fluctuation and 1/f(alpha) noise in the energy level statistics of interacting trapped bosons

It has been recently shown numerically that the transition from integrability to chaos in quantum systems and the corresponding spectral fluctuations are characterized by 1/f(alpha) noise with 1 <= alpha <= 2. The system of interacting trapped bosons is inhomogeneous and complex. The presence of an external harmonic trap makes it more interesting as, in the atomic trap, the bosons occupy partly degenerate single-particle states. Earlier theoretical and experimental results show that at zero temperature the low-lying levels are of a collective nature and high-lying excitations are of a single-particle nature. We observe that for few bosons, the P(s) distribution shows the Shnirelman peak, which exhibits a large number of quasidegenerate states. For a large number of bosons the low-lying levels are strongly affected by the interatomic interaction, and the corresponding level fluctuation shows a transition to a Wigner distribution with an increase in particle number. It does not follow Gaussian orthogonal ensemble random matrix predictions. For high-lying levels we observe the uncorrelated Poisson distribution. Thus it may be a very realistic system to prove that 1/f(alpha) noise is ubiquitous in nature.

Entanglement of excited states in critical spin chains

Renyi and von Neumann entropies quantifying the amount of entanglement in ground states of critical spin chains are known to satisfy a universal law which is given by the conformal field theory (CFT) describing their scaling regime. This law can be generalized to excitations described by primary fields in CFT, as was done by Alcaraz et al in 2011 (see reference [1], of which this work is a completion). An alternative derivation is presented, together with numerical verifications of our results in different models belonging to the c = 1, 1/2 universality classes. Oscillations of the Renyi entropy in excited states are also discussed.

Energy-level statistics of interacting trapped bosons

It is a well-established fact that statistical properties of energy-level spectra are the most efficient tool to characterize nonintegrable quantum systems. The statistical behavior of different systems such as complex atoms, atomic nuclei, two-dimensional Hamiltonians, quantum billiards, and noninteracting many bosons has been studied. The study of statistical properties and spectral fluctuations in interacting many-boson systems has developed interest in this direction. We are especially interested in weakly interacting trapped bosons in the context of Bose-Einstein condensation (BEC) as the energy spectrum shows a transition from a collective nature to a single-particle nature with an increase in the number of levels. However this has received less attention as it is believed that the system may exhibit Poisson-like fluctuations due to the existence of an external harmonic trap. Here we compute numerically the energy levels of the zero-temperature many-boson systems which are weakly interacting through the van der Waals potential and are confined in the three-dimensional harmonic potential. We study the nearest-neighbor spacing distribution and the spectral rigidity by unfolding the spectrum. It is found that an increase in the number of energy levels for repulsive BEC induces a transition from a Wigner-like form displaying level repulsion to the Poisson distribution for P(s). It does not follow the Gaussian orthogonal ensemble prediction. For repulsive interaction, the lower levels are correlated and manifest level-repulsion. For intermediate levels P(s) shows mixed statistics, which clearly signifies the existence of two energy scales: external trap and interatomic interaction, whereas for very high levels the trapping potential dominates, generating a Poisson distribution. Comparison with mean-field results for lower levels are also presented. For attractive BEC near the critical point we observe the Shnirelman-like peak near s = 0, which signifies the presence of a large number of quasidegenerate states.

Procedimenti di ottimizzazione di sistemi smorzati

La presente tesi riguarda lo studio di procedimenti di ottimizzazione di sistemi smorzati. In particolare, i sistemi studiati sono strutture shear-type soggette ad azioni di tipo sismico impresse alla base. Per effettuare l’ottimizzazione dei sistemi in oggetto si agisce sulle rigidezze di piano e sui coefficienti di smorzamento effettuando una ridistribuzione delle quantità suddette nei piani della struttura. È interessante effettuare l’ottimizzazione di sistemi smorzati nell’ottica della progettazione antisismica, in modo da ridurre la deformata della struttura e, conseguentemente, anche le sollecitazioni che agiscono su di essa. Il lavoro consta di sei capitoli nei quali vengono affrontate tre procedure numerico-analitiche per effettuare l’ottimizzazione di sistemi shear-type. Nel primo capitolo si studia l’ottimizzazione di sistemi shear-type agendo su funzioni di trasferimento opportunamente vincolate. In particolare, le variabili di progetto sono le rigidezze di piano, mentre i coefficienti di smorzamento e le masse di piano risultano quantità note e costanti durante tutto il procedimento di calcolo iterativo; per effettuare il controllo dinamico della struttura si cerca di ottenere una deformata pressoché rettilinea. Tale condizione viene raggiunta ponendo le ampiezze delle funzioni di trasferimento degli spostamenti di interpiano pari all’ampiezza della funzione di trasferimento del primo piano. Al termine della procedura si ottiene una ridistribuzione della rigidezza complessiva nei vari piani della struttura. In particolare, si evince un aumento della rigidezza nei piani più bassi che risultano essere quelli più sollecitati da una azione impressa alla base e, conseguentemente, si assiste ad una progressiva riduzione della variabile di progetto nei piani più alti. L’applicazione numerica di tale procedura viene effettuata nel secondo capitolo mediante l’ausilio di un programma di calcolo in linguaggio Matlab. In particolare, si effettua lo studio di sistemi a tre e a cinque gradi di libertà. La seconda procedura numerico-analitica viene presentata nel terzo capitolo. Essa riguarda l’ottimizzazione di sistemi smorzati agendo simultaneamente sulla rigidezza e sullo smorzamento e consta di due fasi. La prima fase ricerca il progetto ottimale della struttura per uno specifico valore della rigidezza complessiva e dello smorzamento totale, mentre la seconda fase esamina una serie di progetti ottimali in funzione di diversi valori della rigidezza e dello smorzamento totale. Nella prima fase, per ottenere il controllo dinamico della struttura, viene minimizzata la somma degli scarti quadratici medi degli spostamenti di interpiano. Le variabili di progetto, aggiornate dopo ogni iterazione, sono le rigidezze di piano ed i coefficienti di smorzamento. Si pone, inoltre, un vincolo sulla quantità totale di rigidezza e di smorzamento, e i valori delle rigidezze e dei coefficienti di smorzamento di ogni piano non devono superare un limite superiore posto all’inizio della procedura. Anche in questo caso viene effettuata una ridistribuzione delle rigidezze e dei coefficienti di smorzamento nei vari piani della struttura fino ad ottenere la minimizzazione della funzione obiettivo. La prima fase riduce la deformata della struttura minimizzando la somma degli scarti quadrarici medi degli spostamenti di interpiano, ma comporta un aumento dello scarto quadratico medio dell’accelerazione assoluta dell’ultimo piano. Per mantenere quest’ultima quantità entro limiti accettabili, si passa alla seconda fase in cui si effettua una riduzione dell’accelerazione attraverso l’aumento della quantità totale di smorzamento. La procedura di ottimizzazione di sistemi smorzati agendo simultaneamente sulla rigidezza e sullo smorzamento viene applicata numericamente, mediante l’utilizzo di un programma di calcolo in linguaggio Matlab, nel capitolo quattro. La procedura viene applicata a sistemi a due e a cinque gradi di libertà. L’ultima parte della tesi ha come oggetto la generalizzazione della procedura che viene applicata per un sistema dotato di isolatori alla base. Tale parte della tesi è riportata nel quinto capitolo. Per isolamento sismico di un edificio (sistema di controllo passivo) si intende l’inserimento tra la struttura e le sue fondazioni di opportuni dispositivi molto flessibili orizzontalmente, anche se rigidi in direzione verticale. Tali dispositivi consentono di ridurre la trasmissione del moto del suolo alla struttura in elevazione disaccoppiando il moto della sovrastruttura da quello del terreno. L’inserimento degli isolatori consente di ottenere un aumento del periodo proprio di vibrare della struttura per allontanarlo dalla zona dello spettro di risposta con maggiori accelerazioni. La principale peculiarità dell’isolamento alla base è la possibilità di eliminare completamente, o quantomeno ridurre sensibilmente, i danni a tutte le parti strutturali e non strutturali degli edifici. Quest’ultimo aspetto è importantissimo per gli edifici che devono rimanere operativi dopo un violento terremoto, quali ospedali e i centri operativi per la gestione delle emergenze. Nelle strutture isolate si osserva una sostanziale riduzione degli spostamenti di interpiano e delle accelerazioni relative. La procedura di ottimizzazione viene modificata considerando l’introduzione di isolatori alla base di tipo LRB. Essi sono costituiti da strati in elastomero (aventi la funzione di dissipare, disaccoppiare il moto e mantenere spostamenti accettabili) alternati a lamine in acciaio (aventi la funzione di mantenere una buona resistenza allo schiacciamento) che ne rendono trascurabile la deformabilità in direzione verticale. Gli strati in elastomero manifestano una bassa rigidezza nei confronti degli spostamenti orizzontali. La procedura di ottimizzazione viene applicata ad un telaio shear-type ad N gradi di libertà con smorzatori viscosi aggiunti. Con l’introduzione dell’isolatore alla base si passa da un sistema ad N gradi di libertà ad un sistema a N+1 gradi di libertà, in quanto l’isolatore viene modellato alla stregua di un piano della struttura considerando una rigidezza e uno smorzamento equivalente dell’isolatore. Nel caso di sistema sheat-type isolato alla base, poiché l’isolatore agisce sia sugli spostamenti di interpiano, sia sulle accelerazioni trasmesse alla struttura, si considera una nuova funzione obiettivo che minimizza la somma incrementata degli scarti quadratici medi degli spostamenti di interpiano e delle accelerazioni. Le quantità di progetto sono i coefficienti di smorzamento e le rigidezze di piano della sovrastruttura. Al termine della procedura si otterrà una nuova ridistribuzione delle variabili di progetto nei piani della struttura. In tal caso, però, la sovrastruttura risulterà molto meno sollecitata in quanto tutte le deformazioni vengono assorbite dal sistema di isolamento. Infine, viene effettuato un controllo sull’entità dello spostamento alla base dell’isolatore perché potrebbe raggiungere valori troppo elevati. Infatti, la normativa indica come valore limite dello spostamento alla base 25cm; valori più elevati dello spostamento creano dei problemi soprattutto per la realizzazione di adeguati giunti sismici. La procedura di ottimizzazione di sistemi isolati alla base viene applicata numericamente mediante l’utilizzo di un programma di calcolo in linguaggio Matlab nel sesto capitolo. La procedura viene applicata a sistemi a tre e a cinque gradi di libertà. Inoltre si effettua il controllo degli spostamenti alla base sollecitando la struttura con il sisma di El Centro e il sisma di Northridge. I risultati hanno mostrato che la procedura di calcolo è efficace e inoltre gli spostamenti alla base sono contenuti entro il limite posto dalla normativa. Giova rilevare che il sistema di isolamento riduce sensibilmente le grandezze che interessano la sovrastruttura, la quale si comporta come un corpo rigido al di sopra dell’isolatore. In futuro si potrà studiare il comportamento di strutture isolate considerando diverse tipologie di isolatori alla base e non solo dispositivi elastomerici. Si potrà, inoltre, modellare l’isolatore alla base con un modello isteretico bilineare ed effettuare un confronto con i risultati già ottenuti per il modello lineare.

From Complex to Stochastic Potential: Heavy Quarkonia in the Quark-Gluon Plasma

The in-medium physics of heavy quarkonium is an ideal proving ground for our ability to connect knowledge about the fundamental laws of physics to phenomenological predictions. One possible route to take is to attempt a description of heavy quark bound states at finite temperature through a Schrödinger equation with an instantaneous potential. Here we review recent progress in devising a comprehensive approach to define such a potential from first principles QCD and extract its, in general complex, values from non-perturbative lattice QCD simulations. Based on the theory of open quantum systems we will show how to interpret the role of the imaginary part in terms of spatial decoherence by introducing the concept of a stochastic potential. Shortcomings as well as possible paths for improvement are discussed.

Solution of the dual reflection equation for A(n-1)((1)) solid-on-solid model

We obtain a diagonal solution of the dual reflection equation for the elliptic A(n-1)((1)) solid-on-solid model. The isomorphism between the solutions of the reflection equation and its dual is studied. (C) 2004 American Institute of Physics.

Fungible dynamics: There are only two types of entangling multiple-qubit interactions

What interactions are sufficient to simulate arbitrary quantum dynamics in a composite quantum system? It has been shown that all two-body Hamiltonian evolutions can be simulated using any fixed two-body entangling n-qubit Hamiltonian and fast local unitaries. By entangling we mean that every qubit is coupled to every other qubit, if not directly, then indirectly via intermediate qubits. We extend this study to the case where interactions may involve more than two qubits at a time. We find necessary and sufficient conditions for an arbitrary n-qubit Hamiltonian to be dynamically universal, that is, able to simulate any other Hamiltonian acting on n qubits, possibly in an inefficient manner. We prove that an entangling Hamiltonian is dynamically universal if and only if it contains at least one coupling term involving an even number of interacting qubits. For odd entangling Hamiltonians, i.e., Hamiltonians with couplings that involve only an odd number of qubits, we prove that dynamic universality is possible on an encoded set of n-1 logical qubits. We further prove that an odd entangling Hamiltonian can simulate any other odd Hamiltonian and classify the algebras that such Hamiltonians generate. Thus, our results show that up to local unitary operations, there are only two fundamentally different types of entangling Hamiltonian on n qubits. We also demonstrate that, provided the number of qubits directly coupled by the Hamiltonian is bounded above by a constant, our techniques can be made efficient.

Entanglement measure for rank-2 mixed states

We provide an easily computable formula for a bipartite mixed-state entanglement measure. Our formula can be applied to readily calculate the entanglement for any rank-2 mixed state of a bipartite system. We use this formula to provide a tight upper bound for the entanglement of formation for rank-2 states of a qubit and a qudit. We also outline situations where our formula could be applied to study the entanglement properties of complex quantum systems.

Detecting multipartite entanglement

We discuss the problem of determining whether the state of several quantum mechanical subsystems is entangled. As in previous work on two subsystems we introduce a procedure for checking separability that is based on finding state extensions with appropriate properties and may be implemented as a semidefinite program. The main result of this work is to show that there is a series of tests of this kind such that if a multiparty state is entangled this will eventually be detected by one of the tests. The procedure also provides a means of constructing entanglement witnesses that could in principle be measured in order to demonstrate that the state is entangled.

A(n-1) Gaudin model with open boundaries

The A(n-1) Gaudin model with integrable boundaries specified by non-diagonal K-matrices is studied. The commuting families of Gaudin operators are diagonalized by the algebraic Bethe ansatz method. The eigenvalues and the corresponding Bethe ansatz equations are obtained. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Entanglement and boundary critical phenomena

We investigate boundary critical phenomena from a quantum-information perspective. Bipartite entanglement in the ground state of one-dimensional quantum systems is quantified using the Renyi entropy S-alpha, which includes the von Neumann entropy (alpha -> 1) and the single-copy entanglement (alpha ->infinity) as special cases. We identify the contribution of the boundaries to the Renyi entropy, and show that there is an entanglement loss along boundary renormalization group (RG) flows. This property, which is intimately related to the Affleck-Ludwig g theorem, is a consequence of majorization relations between the spectra of the reduced density matrix along the boundary RG flows. We also point out that the bulk contribution to the single-copy entanglement is half of that to the von Neumann entropy, whereas the boundary contribution is the same.