In this work we explore how lattice gauge theory stands to benefit from new developments in machine learning, and look at two specific examples that illustrate this point. We begin with a brief overview of selected topics in machine learning for those who may be unfamiliar, and provide a simple example that helps to show how these ideas are carried out in practice. After providing the relevant background information, we then introduce an example of renormalization group (RG) transformations, inspired by the tensor RG, that can be used for arbitrary image sets, and look at applying this idea to equilibrium configurations of the two-dimensional Ising model. The second main idea presented in this thesis involves using machine learning to improve the efficiency of Markov Chain Monte Carlo (MCMC) methods. Explicitly, we describe a new technique for performing Hamiltonian Monte Carlo (HMC) simulations using an alternative leapfrog integrator that is parameterized by weights in a neural network. This work is based on the L2HMC ('Learning to Hamiltonian Monte Carlo') algorithm introduced in [1].

This thesis describes the duality methods used in the tensor renormalization group method and their application to quantum simulation with cold atoms in optical lattices. Here we consider specifically the O(2) and O(3) nonlinear sigma models in two dimensions, as well as the Abelian Higgs model in two dimensions. We give numerical results from the tensor renormalization group and comparisons with other numerical methods for all three models. We give proposals for possible experimental methods with which these models could be simulated using cold atoms trapped in optical lattices as is done in ongoing experiments.

The analysis of the error of perturbative series by comparing it to the exact solution is an important tool to understand the non-perturbative physics of statistical models. For some toy models, a new method can be used to calculate higher order weak coupling expansion and modified perturbation theory can be constructed. However, it is nontrivial to generalize the new method to understand the critical behavior of high dimensional spin and gauge models. Actually, it is a big challenge in both high energy physics and condensed matter physics to develop accurate and efficient numerical algorithms to solve these problems. In this thesis, one systematic way named tensor renormalization group method is discussed. The applications of the method to several spin and gauge models on a lattice are investigated. theoretically, the new method allows one to write an exact representation of the partition function of models with local interactions. E.g. O(N) models, Z2 gauge models and U(1) gauge models. Practically, by using controllable approximations, results in both finite volume and the thermodynamic limit can be obtained. Another advantage of the new method is that it is insensitive to sign problems for models with complex coupling and chemical potential. Through the new approach, the Fisher's zeros of the 2D O(2) model in the complex coupling plane can be calculated and the finite size scaling of the results agrees well with the Kosterlitz-Thouless assumption. Applying the method to the O(2) model with a chemical potential, new phase diagram of the models can be obtained. The structure of the tensor language may provide a new tool to understand phase transition properties in general.

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2001. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 150-160). Available also in a digital version from Dissertation Abstracts.

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Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2004. / Supervisor: Philip J. Morrison. Vita. Includes bibliographical references.

Estendemos para a teria de campos o método variacional de Kleinert. Este método foi primeiramente usado na mecânica quântica e fornece uma expansão em cumulantes convergente. Sua extensão para a teoria de campos não é trivial devido às divergências ultravioletas que aparecem quando a dimensão do espaço é maior que 2. Devido a estas divergências, a teoria deve ser regularizada e normalizada. Além das dificuldades usuais associadas com a renormalização, devemos decidir se calculamos o valor ótimo do parâmetro variacional antes ou depois da renormalização. Nesta tese abordamos o problema da renormalização do potencial efetivo variacional. Primeiramente, mostramos que o potencial efetivo variacional em temperatura zero coincide com o \"potencial efetivo pós-gaussiano\" introduzido por Stancu e Stevenson. Em seguida, apresentamos um esquema de renormalização que permite que renormalizemos a teoria antes de calcular o parâmetro variacional ótimo. Usando este esquema mostramos que o potencial efetivo usual, calculado em ordem 1-loop, pode ser obtido a partir do esquema variacional de Kleinert inteirando uma única vez a equação que determina o parâmetro variacional. Para o potencial efetivo em ordem 2-loops esta aproximação não é tão boa. A renormalização da teoria antes do cálculo do parâmetro variacional permite que estudemos o potencial efetivo variacional numericamente e de forma não-perturbativa, como foi feito por Kleinert para a mecânica quântica. / We have extended the Kleinert variational technique to field theory. This method was first used in quantum mechanics and provides a convergent cumulate expansion that is extremely accurate. Its extension to field theory is non-trivial because of the ultraviolet divergences that appear when the space dimension is greater than 2. Due to these divergences the theory has to be regularized and renormalized. In addition to the usual difficulties associated with renormalization, one has to decide whether one calculates the optimum value of the variational parameter before or after renormalization. In this thesis we deal with the renormalization of the variational effective potential. Firstly, we show that the zero temperature regularized variational potential coincides with the post-Gaussian effective potential introduced by Stancu and Stenvenson. Secondly, we present a renormalization scheme that enables one to renormalize the theory before calculating the optimum variational parameter. Using this scheme we show that the usual 1-loop effective potential can be obtained from the Kleinert variational scheme by interacting only once the equation that determines the variational parameter. In this sense, the 1-loop expansion is contained within the variational scheme. For the 2-loop effective potential the same approximation is not so good. The renormalization of the theory before the calculation of the variational parameter allows one to study the variational effective potential numerically and in a non-pertubative way, as it was done in quantum mechanics by Kleinert.

O comportamento critico de sistemas unidimensionais de spin do tipo Z(N) na ausência de campos magnéticos, é estudado sob a luz da teoria do grupo de renormalização. Os modelos são resolvidos exatamente pelo método da matriz de transferência e expressões para as funções de correlação e susceptibilidade (a campo zero) por si tio são também calculadas. As transformações do grupo de renormalização são efetuadas através de um traço parcial na função de partição, obtendo- se um conjunto de relações de recorrência que podem ser escritas de maneira simples para qualquer valor inteiro do fator de reescala espacial, mediante o uso de campos de escala convenientes. Tirando vantagem de um ponto fixo inteiramente atrativo, calculamos uma expressão para a energia livre por sitio, exata para T ¢ O. Analisamos o comportamento de nossos modelos no espaço de parâmetros, onde identificamos em particular as ~s ferro e antiferromagnéticas. O problema de correções às previsões de escala em termos de campos de escala não lineares é discutido. Aventamos também a possibilidade de calcular os auto valores da matriz de transferência através dos campos não lineares / In this work we study the criticai behaviour of one dimensional Z(N) spin systems in zero magnetic fields, using the approach of the renormalization group (RG) theory. The models are solved by the transfer matrix method and expressions for the correlation functions and zero field susceptibility per site are found. The RG transformations are carried out via a partial trace over the partition function and one obtains a set of recursion relations which, with the use of a convenient set of scaling fields, are written out in a simple manner for any integer value of the spatial rescaling factor. Using a totaly attractive fixed point we calculate an expression for the free energy per site, valid exactly for non zero values of the temperature. We analyse the behaviour of our models in the space of parameters, identifying in particular ferro and antiferromagnetic regions. The problem of corrections to scaling in terms of nonlinear scaling fields is discussed and a possibility of finding the eigen values of the transfer matrix from such fields is contemplated

Sem dúvida a questão central em Dinâmica Holomorfa é aquela sobre a densidade de hiperbolicidade. Temos a seguinte conjectura devida a Pierre Fatou: No espaço das aplicações racionais de grau d o conjunto das aplicações racionais hiperbólicas neste espaço formam um subconjunto aberto e denso. Nem mesmo para a família dos polinômios quadráticos esta questão foi respondida. Para a família quadrática este problema é equivalente a mostrar a não existência de polinômios quadráticos que suportam sobre o seu conjunto de Julia um campo de linhas invariante. Devido a resultados de Jean-Christophe Yoccoz sabemos da não existência de campos de linhas invariante para polinômios quadráticos no máximo finitamente renormalizáveis. Nesta dissertação é mostrado que um polinômio quadrático infinitamente renormalizável satisfazendo certa hipótese geométrica, denominada robustez, não suporta sobre o seu Julia um campo de linhas invariante. Esta prova foi obtida por Curtis T. McMullen e publicada em [McM1]. Os avanços na teoria de renormalização e quanto ao problema da densidade de hiperbolicidade e problemas relacionados tem contado com a colaboração de inúmeros renomados matemáticos como Mikhail M. Lyubich, Artur Ávila, Mitsuhiro Shishikura, Curtis T. McMullen, Jean-Christophe Yoccoz, Sebastien van Strien, Hiroyuki Inou, dentre outros / Undoubtedly one of the central open questions in Holomorphic Dynamics is about proving the density of hyperbolicity. That question was first raised by Pierre Fatou: In the space of rational functions of degree d the set of hyperbolic rational functions form a open and dense subset. Not even for the family of quadratic polynomials this question been answered. For this particular quadratic family the problem is equivalent to showing the non-existence of quadratic polynomial with a Julia set supporting an invariant line field. Due to results by Jean-Christophe Yoccoz we already know the non-existence of invariant line fields for the quadratic polynomials that are at most finitely renormalizable. In this dissertation it is shown that an infinitely renormalizable quadratic polynomial satisfying a certain geometric hypotesis, called robustness, does not have an invariant line field supported on its Julia set. This proof was obtained by Curtis T. McMullen and published in [McM1]. Many advances on the theory of renormalization and on the problem of density of hyperbolicity have been already accomplished through the collective work of several renowned mathematicians such as Mikhail M. Lyubich, Artur Ávila, Mitsuhiro Shishikura, Curtis T. McMullen, Jean-Christophe Yoccoz, Sebastien van Strien, Hiroyuki Inou among others.

Nós estudamos a dinâmica do operador de renormalização atuando no espaço de pares (?, t), onde ? é um difeomorfismo e t ? [0, 1], interpretados como aplicações unimodais ? o qt, onde qt(x) = -2t|x|? + 2t - 1. Estabelecemos cotas complexas a priori para pares suficientemente renormalizáveis com combinatória limitada e então a utilizamos para mostrar que quando o expoente crítico ? está próximo de um número par, o operador de renormalização tem um único ponto fixo, o qual é hiperbólico e possui uma variedade estável de codimensão um que contém todos os pares infinitamente renormalizáveis / We study the dynamics of the renormalization operator acting on the space of pairs (?, t), where ? is a diffeomorphism and t ? [0, 1], interpretated as unimodal maps ? o qt, where qt(x) = -2t|x|? + 2t - 1. We prove the so called complex bounds for sufficiently renormalizable pairs with bounded combinatorics. This allows us to show that if the critical exponent ? is close to an even number then the renormalization operator has a unique fixed point. Furthermore this fixed point is hyperbolic and its codimension one stable manifold contains all infinitely renormalizable pairs