Structures algébriques, systèmes superintégrables et polynômes orthogonaux

Cette thèse est divisée en cinq parties portant sur les thèmes suivants: l’interprétation physique et algébrique de familles de fonctions orthogonales multivariées et leurs applications, les systèmes quantiques superintégrables en deux et trois dimensions faisant intervenir des opérateurs de réflexion, la caractérisation de familles de polynômes orthogonaux appartenant au tableau de Bannai-Ito et l’examen des structures algébriques qui leurs sont associées, l’étude de la relation entre le recouplage de représentations irréductibles d’algèbres et de superalgèbres et les systèmes superintégrables, ainsi que l’interprétation algébrique de familles de polynômes multi-orthogonaux matriciels. Dans la première partie, on développe l’interprétation physico-algébrique des familles de polynômes orthogonaux multivariés de Krawtchouk, de Meixner et de Charlier en tant qu’éléments de matrice des représentations unitaires des groupes SO(d+1), SO(d,1) et E(d) sur les états d’oscillateurs. On détermine les amplitudes de transition entre les états de l’oscillateur singulier associés aux bases cartésienne et polysphérique en termes des polynômes multivariés de Hahn. On examine les coefficients 9j de su(1,1) par le biais du système superintégrable générique sur la 3-sphère. On caractérise les polynômes de q-Krawtchouk comme éléments de matrices des «q-rotations» de U_q(sl_2). On conçoit un réseau de spin bidimensionnel qui permet le transfert parfait d’états quantiques à l’aide des polynômes de Krawtchouk à deux variables et on construit un modèle discret de l’oscillateur quantique dans le plan à l’aide des polynômes de Meixner bivariés. Dans la seconde partie, on étudie les systèmes superintégrables de type Dunkl, qui font intervenir des opérateurs de réflexion. On examine l’oscillateur de Dunkl en deux et trois dimensions, l’oscillateur singulier de Dunkl dans le plan et le système générique sur la 2-sphère avec réflexions. On démontre la superintégrabilité de chacun de ces systèmes. On obtient leurs constantes du mouvement, on détermine leurs algèbres de symétrie et leurs représentations, on donne leurs solutions exactes et on détaille leurs liens avec les polynômes orthogonaux du tableau de Bannai-Ito. Dans la troisième partie, on caractérise deux familles de polynômes du tableau de Bannai-Ito: les polynômes de Bannai-Ito complémentaires et les polynômes de Chihara. On montre également que les polynômes de Bannai-Ito sont les coefficients de Racah de la superalgèbre osp(1,2). On détermine l’algèbre de symétrie des polynômes duaux -1 de Hahn dans le cadre du problème de Clebsch-Gordan de osp(1,2). On propose une q - généralisation des polynômes de Bannai-Ito en examinant le problème de Racah pour la superalgèbre quantique osp_q(1,2). Finalement, on montre que la q -algèbre de Bannai-Ito sert d’algèbre de covariance à osp_q(1,2). Dans la quatrième partie, on détermine le lien entre le recouplage de représentations des algèbres su(1,1) et osp(1,2) et les systèmes superintégrables du deuxième ordre avec ou sans réflexions. On étudie également les représentations des algèbres de Racah-Wilson et de Bannai-Ito. On montre aussi que l’algèbre de Racah-Wilson sert d’algèbre de covariance quadratique à l’algèbre de Lie sl(2). Dans la cinquième partie, on construit deux familles explicites de polynômes d-orthogonaux basées sur su(2). On étudie les états cohérents et comprimés de l’oscillateur fini et on caractérise une famille de polynômes multi-orthogonaux matriciels.

Croissance et ensemble nodal de fonctions propres du laplacien sur des surfaces

Dans cette thèse, nous étudions les fonctions propres de l'opérateur de Laplace-Beltrami - ou simplement laplacien - sur une surface fermée, c'est-à-dire une variété riemannienne lisse, compacte et sans bord de dimension 2. Ces fonctions propres satisfont l'équation $\Delta_g \phi_\lambda + \lambda \phi_\lambda = 0$ et les valeurs propres forment une suite infinie. L'ensemble nodal d'une fonction propre du laplacien est celui de ses zéros et est d'intérêt depuis les expériences de plaques vibrantes de Chladni qui remontent au début du 19ème siècle et, plus récemment, dans le contexte de la mécanique quantique. La taille de cet ensemble nodal a été largement étudiée ces dernières années, notamment par Donnelly et Fefferman, Colding et Minicozzi, Hezari et Sogge, Mangoubi ainsi que Sogge et Zelditch. L'étude de la croissance de fonctions propres n'est pas en reste, avec entre autres les récents travaux de Donnelly et Fefferman, Sogge, Toth et Zelditch, pour ne nommer que ceux-là. Notre thèse s'inscrit dans la foulée du travail de Nazarov, Polterovich et Sodin et relie les propriétés de croissance des fonctions propres avec la taille de leur ensemble nodal dans l'asymptotique $\lambda \nearrow \infty$. Pour ce faire, nous considérons d'abord les exposants de croissance, qui mesurent la croissance locale de fonctions propres et qui sont obtenus à partir de la norme uniforme de celles-ci. Nous construisons ensuite la croissance locale moyenne d'une fonction propre en calculant la moyenne sur toute la surface de ces exposants de croissance, définis sur de petits disques de rayon comparable à la longueur d'onde. Nous montrons alors que la taille de l'ensemble nodal est contrôlée par le produit de cette croissance locale moyenne et de la fréquence $\sqrt{\lambda}$. Ce résultat permet une reformulation centrée sur les fonctions propres de la célèbre conjecture de Yau, qui prévoit que la mesure de l'ensemble nodal croît au rythme de la fréquence. Notre travail renforce également l'intuition répandue selon laquelle une fonction propre se comporte comme un polynôme de degré $\sqrt{\lambda}$. Nous généralisons ensuite nos résultats pour des exposants de croissance construits à partir de normes $L^q$. Nous sommes également amenés à étudier les fonctions appartenant au noyau d'opérateurs de Schrödinger avec petit potentiel dans le plan. Pour de telles fonctions, nous obtenons deux résultats qui relient croissance et taille de l'ensemble nodal.

Hybrid optimization schemes for quantum control

Optimal control theory is a powerful tool for solving control problems in quantum mechanics, ranging from the control of chemical reactions to the implementation of gates in a quantum computer. Gradient-based optimization methods are able to find high fidelity controls, but require considerable numerical effort and often yield highly complex solutions. We propose here to employ a two-stage optimization scheme to significantly speed up convergence and achieve simpler controls. The control is initially parametrized using only a few free parameters, such that optimization in this pruned search space can be performed with a simplex method. The result, considered now simply as an arbitrary function on a time grid, is the starting point for further optimization with a gradient-based method that can quickly converge to high fidelities. We illustrate the success of this hybrid technique by optimizing a geometric phase gate for two superconducting transmon qubits coupled with a shared transmission line resonator, showing that a combination of Nelder-Mead simplex and Krotov’s method yields considerably better results than either one of the two methods alone.

One- and two-center energy components in the atoms in molecules theory

The energy decomposition scheme proposed in a recent paper has been realized by performing numerical integrations. The sample calculations carried out for some simple molecules show excellent agreement with the chemical picture of molecules, indicating that such an energy decomposition analysis can be useful from the point of view of connecting quantum mechanics with the genuine chemical concepts

Desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica

La present Tesi Doctoral, titulada desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica, tracta, fonamentalment, els aspectes de càlcul de mesures de semblança basades en la comparació de funcions de densitat electrònica.El primer capítol, Semblança quàntica, és introductori. S'hi descriuen les funcions de densitat de probabilitat electrònica i llur significança en el marc de la mecànica quàntica. Se n'expliciten els aspectes essencials i les condicions matemàtiques a satisfer, cara a una millor comprensió dels models de densitat electrònica que es proposen. Hom presenta les densitats electròniques, mencionant els teoremes de Hohenberg i Kohn i esquematitzant la teoria de Bader, com magnituds fonamentals en la descripció de les molècules i en la comprensió de llurs propietats.En el capítol Models de densitats electròniques moleculars es presenten procediments computacionals originals per l'ajust de funcions densitat a models expandits en termes de gaussianes 1s centrades en els nuclis. Les restriccions físico-matemàtiques associades a les distribucions de probabilitat s'introdueixen de manera rigorosa, en el procediment anomenat Atomic Shell Approximation (ASA). Aquest procediment, implementat en el programa ASAC, parteix d'un espai funcional quasi complert, d'on se seleccionen variacionalment les funcions o capes de l'expansió, d'acord als requisits de no negativitat. La qualitat d'aquestes densitats i de les mesures de semblança derivades es verifica abastament. Aquest model ASA s'estén a representacions dinàmiques, físicament més acurades, en quant que afectades per les vibracions nuclears, cara a una exploració de l'efecte de l'esmorteïment dels pics nuclears en les mesures de semblança molecular. La comparació de les densitats dinàmiques respecte les estàtiques evidencia un reordenament en les densitats dinàmiques, d'acord al que constituiria una manifestació del Principi quàntic de Le Chatelier. El procediment ASA, explícitament consistent amb les condicions de N-representabilitat, s'aplica també a la determinació directe de densitats electròniques hidrogenoides, en un context de teoria del funcional de la densitat.El capítol Maximització global de la funció de semblança presenta algorismes originals per la determinació de la màxima sobreposició de les densitats electròniques moleculars. Les mesures de semblança molecular quàntica s'identifiquen amb el màxim solapament, de manera es mesuri la distància entre les molècules, independentment dels sistemes de referència on es defineixen les densitats electròniques. Partint de la solució global en el límit de densitats infinitament compactades en els nuclis, es proposen tres nivells de aproximació per l'exploració sistemàtica, no estocàstica, de la funció de semblança, possibilitant la identificació eficient del màxim global, així com també dels diferents màxims locals. Es proposa també una parametrització original de les integrals de recobriment a través d'ajustos a funcions lorentzianes, en quant que tècnica d'acceleració computacional. En la pràctica de les relacions estructura-activitat, aquests avenços possibiliten la implementació eficient de mesures de semblança quantitatives, i, paral·lelament, proporcionen una metodologia totalment automàtica d'alineació molecular. El capítol Semblances d'àtoms en molècules descriu un algorisme de comparació dels àtoms de Bader, o regions tridimensionals delimitades per superfícies de flux zero de la funció de densitat electrònica. El caràcter quantitatiu d'aquestes semblances possibilita la mesura rigorosa de la noció química de transferibilitat d'àtoms i grups funcionals. Les superfícies de flux zero i els algorismes d'integració usats han estat publicats recentment i constitueixen l'aproximació més acurada pel càlcul de les propietats atòmiques. Finalment, en el capítol Semblances en estructures cristal·lines hom proposa una definició original de semblança, específica per la comparació dels conceptes de suavitat o softness en la distribució de fonons associats a l'estructura cristal·lina. Aquests conceptes apareixen en estudis de superconductivitat a causa de la influència de les interaccions electró-fonó en les temperatures de transició a l'estat superconductor. En aplicar-se aquesta metodologia a l'anàlisi de sals de BEDT-TTF, s'evidencien correlacions estructurals entre sals superconductores i no superconductores, en consonància amb les hipòtesis apuntades a la literatura sobre la rellevància de determinades interaccions.Conclouen aquesta tesi un apèndix que conté el programa ASAC, implementació de l'algorisme ASA, i un capítol final amb referències bibliogràfiques.

Molecular modelling studies of binding of DACD derivatives into G-Quadruplex DNA: comparison of force field and quantum polarized ligand docking methods

The DNA G-qadruplexes are one of the targets being actively explored for anti-cancer therapy by inhibiting them through small molecules. This computational study was conducted to predict the binding strengths and orientations of a set of novel dimethyl-amino-ethyl-acridine (DACA) analogues that are designed and synthesized in our laboratory, but did not diffract in Synchrotron light.Thecrystal structure of DNA G-Quadruplex(TGGGGT)4(PDB: 1O0K) was used as target for their binding properties in our studies.We used both the force field (FF) and QM/MM derived atomic charge schemes simultaneously for comparing the predictions of drug binding modes and their energetics. This study evaluates the comparative performance of fixed point charge based Glide XP docking and the quantum polarized ligand docking schemes. These results will provide insights on the effects of including or ignoring the drug-receptor interfacial polarization events in molecular docking simulations, which in turn, will aid the rational selection of computational methods at different levels of theory in future drug design programs. Plenty of molecular modelling tools and methods currently exist for modelling drug-receptor or protein-protein, or DNA-protein interactionssat different levels of complexities.Yet, the capasity of such tools to describevarious physico-chemical propertiesmore accuratelyis the next step ahead in currentresearch.Especially, the usage of most accurate methods in quantum mechanics(QM) is severely restricted by theirtedious nature. Though the usage of massively parallel super computing environments resulted in a tremendous improvement in molecular mechanics (MM) calculations like molecular dynamics,they are still capable of dealing with only a couple of tens to hundreds of atoms for QM methods. One such efficient strategy that utilizes thepowers of both MM and QM are the QM/MM hybrid methods. Lately, attempts have been directed towards the goal of deploying several different QM methods for betterment of force field based simulations, but with practical restrictions in place. One of such methods utilizes the inclusion of charge polarization events at the drug-receptor interface, that is not explicitly present in the MM FF.

Electronic properties of liquid hydrogen fluoride: A sequential quantum mechanical/Born-Oppenheimer molecular dynamics approach

The electronic properties of liquid hydrogen fluoride (HF) were investigated by carrying out sequential quantum mechanics/Born-Oppenheimer molecular dynamics. The structure of the liquid is in good agreement with recent experimental information. Emphasis was placed on the analysis of polarisation effects, dynamic polarisability and electronic excitations in liquid HF. Our results indicate an increase in liquid phase of the dipole moment (similar to 0.5 D) and isotropic polarisability (5%) relative to their gas-phase values. Our best estimate for the first vertical excitation energy in liquid HF indicates a blue-shift of 0.4 +/- 0.2 eV relative to that of the gas-phase monomer (10.4 eV). (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Canonical quantum potential scattering theory

A new formulation of potential scattering in quantum mechanics is developed using a close structural analogy between partial waves and the classical dynamics of many non-interacting fields. Using a canonical formalism we find nonlinear first-order differential equations for the low-energy scattering parameters such as scattering length and effective range. They significantly simplify typical calculations, as we illustrate for atom-atom and neutron-nucleus scattering systems. A generalization to charged particle scattering is also possible.

Genesis of quantum nonlocality

We revisit the problem of an otherwise classical particle immersed in the zero-point radiation field, with the purpose of tracing the origin of the nonlocality characteristic of Schrodinger`s equation. The Fokker-Planck-type equation in the particles phase-space leads to an infinite hierarchy of equations in configuration space. In the radiationless limit the first two equations decouple from the rest. The first is the continuity equation: the second one, for the particle flux, contains a nonlocal term due to the momentum fluctuations impressed by the field. These equations are shown to lead to Schrodinger`s equation. Nonlocality (obtained here for the one-particle system) appears thus as a property of the description, not of Nature. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Dynamical noncommutativity

The model of dynamical noncommutativity is proposed. The system consists of two interrelated parts. The first of them describes the physical degrees of freedom with the coordinates q(1) and q(2), and the second corresponds to the noncommutativity eta which has a proper dynamics. After quantization, the commutator of two physical coordinates is proportional to the function of eta. The interesting feature of our model is the dependence of nonlocality on the energy of the system. The more the energy, the more the nonlocality. The leading contribution is due to the mode of noncommutativity; however, the physical degrees of freedom also contribute in nonlocality in higher orders in theta .

Coherent state quantization of paragrassmann algebras

By using a coherent state quantization of paragrassmann variables, operators are constructed in finite Hilbert spaces. We thus obtain in a straightforward way a matrix representation of the paragrassmann algebra. This algebra of finite matrices realizes a deformed Weyl-Heisenberg algebra. The study of mean values in coherent states of some of these operators leads to interesting conclusions.

Star products made (somewhat) easier

We develop an approach to the deformation quantization on the real plane with an arbitrary Poisson structure which is based on Weyl symmetrically ordered operator products. By using a polydifferential representation for the deformed coordinates, xj we are able to formulate a simple and effective iterative procedure which allowed us to calculate the fourth-order star product (and may be extended to the fifth order at the expense of tedious but otherwise straightforward calculations). Modulo some cohomology issues which we do not consider here, the method gives an explicit and physics-friendly description of the star products.

Aspects of classical and quantum motion on a flux cone

Motion of a nonrelativistic particle on a cone with a magnetic flux running through the cone axis (a flux cone) is studied. It is expressed as the motion of a particle moving on the Euclidean plane under the action of a velocity-dependent force. The probability fluid (quantum flow) associated with a particular stationary state is studied close to the singularity, demonstrating nontrivial Aharonov-Bohm effects. For example, it is shown that, near the singularity, quantum flow departs from classical flow. In the context of the hydrodynamical approach to quantum mechanics, quantum potential due to the conical singularity is determined, and the way it affects quantum flow is analyzed. It is shown that the winding number of classical orbits plays a role in the description of the quantum Bow. The connectivity of the configuration space is also discussed.

Time evolution of the Wigner function in discrete quantum phase space for a soluble quasi-spin model

The discrete phase space approach to quantum mechanics of degrees of freedom without classical counterparts is applied to the many-fermions/quasi-spin Lipkin model. The Wi:ner function is written for some chosen states associated to discrete angle and angular momentum variables, and the rime evolution is numerically calculated using the discrete von Neumnnn-Liouville equation. Direct evidences in the lime evolution of the Wigner function are extracted that identify a tunnelling effect. A connection with a SU(2)-based semiclassical continuous approach to the Lipkin model is also presented.

q-Analog of the gap equation for cuprates

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)