A Goldstone theorem in thermal relativistic quantum field theory

We prove a Goldstone theorem in thermal relativistic quantum field theory, which relates spontaneous symmetry breaking to the rate of spacelike decay of the two-point function. The critical rate of fall-off coincides with that of the massless free scalar field theory. Related results and open problems are briefly discussed. (C) 2011 American Institute of Physics. [doi:10.1063/1.3526961]

Consistency restrictions on maximal electric-field strength in quantum field theory

Quantum field theory with an external background can be considered as a consistent model only if backreaction is relatively small with respect to the background. To find the corresponding consistency restrictions on an external electric field and its duration in QED and QCD, we analyze the mean-energy density of quantized fields for an arbitrary constant electric field E, acting during a large but finite time T. Using the corresponding asymptotics with respect to the dimensionless parameter eET(2), one can see that the leading contributions to the energy are due to the creation of particles by the electric field. Assuming that these contributions are small in comparison with the energy density of the electric background, we establish the above-mentioned restrictions, which determine, in fact, the time scales from above of depletion of an electric field due to the backreaction.

Growth of a Bose-Einstein condensate: a detailed comparison of theory and experiment

We extend the earlier model of condensate growth of Davis et at (Davis M J, Gardiner C W and Ballagh R J 2000 Phys. Rev. A 62 063608) to include the effect of gravity in a magnetic trap. We carry out calculations to model the experiment reported by Kohl et al (Kohl M, Davis M J, Gardiner C W, Hansch T and Esslinger T 2001 Preprint cond-mat/0106642) who study the formation of a rubidium Bose-Einstein condensate for a range of evaporative cooling parameters. We find that, in the regime where our model is valid, the theoretical curves agree with all the experimental data with no fitting parameters. However, for the slowest cooling of the gas the theoretical curve deviates significantly from the experimental curves. It is possible that this discrepancy may be related to the formation of a quasicondensate.

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.

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.

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.

Studies in quantum field theory at finite temperature

The thesis deals with certain quantum field systems exhibiting spontaneous symmetry breaking and their response to temperature. These models find application in diverse branches such as particle physics, solid state physics and non~linear optics. The nature of phase transition that these systems may undergo is also investigated. The thesis contains seven chapters. The first chapter is introductory and gives a brief account of the various phenomena associated with spontaneous symmetry breaking. The chapter closes with anote on the effect of temperature on quantum field systems. In chapter 2, the spontaneous symmetry breaking phenomena are reviewed in more detail. Chapter 3, deals with the formulation of ordinary and generalised sine-Gordon field theories on a lattice and the study of the nature of phase transition occurring in these systems. In chapter 4, the effect of temperature on these models is studied, using the effective potential method. Chapter 5 is a continuation of this study for another model, viz, the m6 model. The nature of phase transition is also studied. Chapters 5 and 6 constitute a report of the investigations on the behaviour of coupling constants under thermal excitation D1 $4 theory, scalar electrodynamics, abelian and non-abelian gauge theories

Momentum-space non-hydrogenic wavefunction of quantum defect theory

We derive a closed-form analytic expression in momentum space for the asymptotic non-hydrogenic wavefunction of the quantum defect theory (QDT) due to Seaton and compare it with a widely used QDT-approximate wavefunction for the Rydberg states Li-3(2s), Mg-24(6s) and Rb-37(5s).