This thesis is devoted to study far-from-equilibrium aspects of quantum systems at strong coupling using the holographic duality as a tool. The duality, originated from string theory and further generalized to broader scenarios, relates certain strongly coupled gauge theories to classical gravity theories in higher dimensions. Over the last years, it has proved itself useful as a calculational tool to map difficult questions of interest in the gauge theory into a dual (i.e., equivalent) problem in a higher-dimensional gravity language where the solution may become feasible. The interest in strongly coupled quantum field theories, in particular non-Abelian gauge theories, is motivated by a number of nuclear and condensed matter physics phenomena which are known to take place at a non-perturbative regime, such as the quark-gluon plasma phase of quantum chromodynamics or high-Tc superconducting materials. While dealing with strong coupling is typically a very hard task even at equilibrium, the situation becomes yet more dramatic when non-equilibrium setups are concerned since the main non-perturbative tool available nowadays lattice field theory suffers from serious problems when it comes to real-time dynamics. This is the reason why unconventional techniques such as the ones provided by holography are welcome. Of particular interest here are the problems of thermalization of strongly coupled plasmas as well as the quench dynamics of quantum systems, both of which admit a dual gravitational description involving time-dependent solutions to the corresponding classical equations of motion in the bulk of Anti de Sitter (AdS) spacetimes, such as collapsing solutions describing AdS black hole formation. Specifically, and always from a holographic point of view, in this thesis we deal with three classes of problems: the thermalization properties of a charged non-Abelian plasma after a sudden injection of energy (such as a heavy ion collision); the dynamics of a symmetry breaking quench process from a relativistic to a non-relativistic setup of the Lifshitz type with dynamical exponent z; and, finally, a new analytical approach to the non- equilibrium properties of conformal field theory plasmas placed in an expanding background. Apart from the specific problems, we also provide a self-contained but concise introduction to the holographic duality with a view towards newcomers with an elementary general relativity and quantum field theory background. / Esta tese designa-se ao estudo de sistemas quânticos fortemente acoplados e fora do equilíbrio utilizando como ferramenta a dualidade holográfica. A dualidade, originária da teoria de cordas e posteriormente generalizada a cenários mais abrangentes, relaciona certas teorias de calibre fortemente acopladas e teorias de gravidade clássica em dimensões mais altas. Nos últimos anos, ela tem se mostrado útil como uma ferramenta de cálculo para mapear questões complicadas na teoria de gauge em um problema \\q{dual} (isto é, equivalente) formulado na linguagem completamente diferente de gravidade em dimensões extras, onde obter uma solução pode ser viável. O interesse em teorias quânticas de campo fortemente acopladas, em particular teorias de calibre não-Abelianas, motiva-se por uma variedade de fenômenos das físicas nuclear e da matéria condensada que, reconhecidamente, ocorrem em um regime não-perturbativo, tais como o plasma de quarks e glúons da cromodinâmica quântica ou certos materiais supercondutores com temperatura crítica alta. Em geral, lidar com acoplamentos fortes é uma tarefa bastante complicada mesmo em configurações de equilíbrio, mas a situação se torna ainda mais dramática quando configurações longe do equilíbrio são tratadas, visto que a principal ferramenta não-perturbativa disponível atualmente (teoria de campos na rede) enfrenta sérios problemas em situações dinâmicas. Esta é a principal razão pela qual técnicas alternativas tais como as fornecidas pela dualidade holográfica são bem vindas. De particular interesse aqui são os problemas da termalização de plasmas fortemente acoplados bem como a dinâmica pós-\\emph{quench} de sistemas quânticos, ambos os quais admitem uma descrição gravitacional dual envolvendo soluções dependentes do tempo às correspondentes equações gravitacionais em espaços-tempo de Anti de Sitter (AdS), tais como soluções de colapso descrevendo a formação de buracos negros assintoticamente AdS. Especificamente, e sempre sob um ponto de vista holográfico, nesta tese lidamos com três tipos diferentes de problemas: a termalização de um plasma não-Abeliano carregado como resultado de uma injeção repentina de energia (tal como uma colisão de íons pesados); a dinâmica durante um processo de quebra da simetria relativística para uma simetria não-relativística do tipo Lifshitz com expoente dinâmico $z$; e, finalmente, uma nova abordagem analítica para tratar propriedades fora do equílibrio de plasmas conformes colocados em um fundo que se expande. Além de tais problemas específicos, este texto fornece também uma introdução sucinta e auto-contida à dualidade holográfica direcionada a um leitor com conhecimento elementar de relatividade geral e teoria quântica de campos.

This thesis is devoted to study far-from-equilibrium aspects of quantum systems at strong coupling using the holographic duality as a tool. The duality, originated from string theory and further generalized to broader scenarios, relates certain strongly coupled gauge theories to classical gravity theories in higher dimensions. Over the last years, it has proved itself useful as a calculational tool to map difficult questions of interest in the gauge theory into a dual (i.e., equivalent) problem in a higher-dimensional gravity language where the solution may become feasible. The interest in strongly coupled quantum field theories, in particular non-Abelian gauge theories, is motivated by a number of nuclear and condensed matter physics phenomena which are known to take place at a non-perturbative regime, such as the quark-gluon plasma phase of quantum chromodynamics or high-Tc superconducting materials. While dealing with strong coupling is typically a very hard task even at equilibrium, the situation becomes yet more dramatic when non-equilibrium setups are concerned since the main non-perturbative tool available nowadays lattice field theory suffers from serious problems when it comes to real-time dynamics. This is the reason why unconventional techniques such as the ones provided by holography are welcome. Of particular interest here are the problems of thermalization of strongly coupled plasmas as well as the quench dynamics of quantum systems, both of which admit a dual gravitational description involving time-dependent solutions to the corresponding classical equations of motion in the bulk of Anti de Sitter (AdS) spacetimes, such as collapsing solutions describing AdS black hole formation. Specifically, and always from a holographic point of view, in this thesis we deal with three classes of problems: the thermalization properties of a charged non-Abelian plasma after a sudden injection of energy (such as a heavy ion collision); the dynamics of a symmetry breaking quench process from a relativistic to a non-relativistic setup of the Lifshitz type with dynamical exponent z; and, finally, a new analytical approach to the non- equilibrium properties of conformal field theory plasmas placed in an expanding background. Apart from the specific problems, we also provide a self-contained but concise introduction to the holographic duality with a view towards newcomers with an elementary general relativity and quantum field theory background. / Esta tese designa-se ao estudo de sistemas quânticos fortemente acoplados e fora do equilíbrio utilizando como ferramenta a dualidade holográfica. A dualidade, originária da teoria de cordas e posteriormente generalizada a cenários mais abrangentes, relaciona certas teorias de calibre fortemente acopladas e teorias de gravidade clássica em dimensões mais altas. Nos últimos anos, ela tem se mostrado útil como uma ferramenta de cálculo para mapear questões complicadas na teoria de gauge em um problema \\q{dual} (isto é, equivalente) formulado na linguagem completamente diferente de gravidade em dimensões extras, onde obter uma solução pode ser viável. O interesse em teorias quânticas de campo fortemente acopladas, em particular teorias de calibre não-Abelianas, motiva-se por uma variedade de fenômenos das físicas nuclear e da matéria condensada que, reconhecidamente, ocorrem em um regime não-perturbativo, tais como o plasma de quarks e glúons da cromodinâmica quântica ou certos materiais supercondutores com temperatura crítica alta. Em geral, lidar com acoplamentos fortes é uma tarefa bastante complicada mesmo em configurações de equilíbrio, mas a situação se torna ainda mais dramática quando configurações longe do equilíbrio são tratadas, visto que a principal ferramenta não-perturbativa disponível atualmente (teoria de campos na rede) enfrenta sérios problemas em situações dinâmicas. Esta é a principal razão pela qual técnicas alternativas tais como as fornecidas pela dualidade holográfica são bem vindas. De particular interesse aqui são os problemas da termalização de plasmas fortemente acoplados bem como a dinâmica pós-\\emph{quench} de sistemas quânticos, ambos os quais admitem uma descrição gravitacional dual envolvendo soluções dependentes do tempo às correspondentes equações gravitacionais em espaços-tempo de Anti de Sitter (AdS), tais como soluções de colapso descrevendo a formação de buracos negros assintoticamente AdS. Especificamente, e sempre sob um ponto de vista holográfico, nesta tese lidamos com três tipos diferentes de problemas: a termalização de um plasma não-Abeliano carregado como resultado de uma injeção repentina de energia (tal como uma colisão de íons pesados); a dinâmica durante um processo de quebra da simetria relativística para uma simetria não-relativística do tipo Lifshitz com expoente dinâmico $z$; e, finalmente, uma nova abordagem analítica para tratar propriedades fora do equílibrio de plasmas conformes colocados em um fundo que se expande. Além de tais problemas específicos, este texto fornece também uma introdução sucinta e auto-contida à dualidade holográfica direcionada a um leitor com conhecimento elementar de relatividade geral e teoria quântica de campos.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4780.pdf: 9997745 bytes, checksum: 24a1f1c6cc3ce4ef4b6ac0cc5009255c (MD5) Previous issue date: 2013-01-11 / Universidade Federal de Sao Carlos / In this thesis, we study the behavior of Quantum Discord in the contexts of open quantum systems and spin chains. Furthermore, we investigate the thermalization process of a spin chain due to interaction with the environment. First, we present a review on the concept of quantum correlation, beginning with the first ideas on non-locality, and leading to the measure of quantum correlations called Quantum Discord. Afterwards, we study the dynamics of the quantum correlations between two non-interacting qubits coupled to Markovian and non- Markovian thermal reservoirs. In the context of spin chains, we investigate the behavior of quantum correlations at finite temperatures, starting with a system composed of two interacting spins, described by XYZ model, in order to generalize this study to the case of infinite unidimensional spin chains, described by XY and XXZ models. In this context, we investigate the relationship between quantum correlations and quantum phase transitions present in these two models. We conclude this thesis with a study of the thermalization process of two interacting spins weakly coupled to independent bosonic thermal reservoirs, or to a single collective reservoir, besides presenting some results for larger systems, composed of an arbitrary number of spins. / Nesta tese estudamos o comportamento da Discórdia Quântica nos contextos de sistemas quânticos abertos e cadeias de spins. Além disso, investigamos também o processo de termalização de uma cadeia de spins sujeita a interação com o meio-ambiente. Primeiramente, apresentamos uma revisão do conceito de correlação quântica, partindo das ideias iniciais sobre não-localidade e tendo como ponto final a medida de correlações quânticas denominada Discórdia Quântica. Posteriormente, estudamos a dinâmica das correlações quânticas entre dois qubits não-interagentes acoplados a reservatórios térmicos markovianos e não-markovianos. No contexto de cadeias de spins, investigamos o comportamento das correlações quânticas a temperaturas finitas, começando com um sistema formado por dois spins interagentes, descrito pelo modelo XYZ para, em seguida, generalizar este estudo para o caso de cadeias de spins unidimensionais infinitas, descritas pelos modelos XY e XXZ. Neste contexto, investigamos a relação entre as correlações quânticas e as transições de fase quânticas presentes nestes dois modelos. Finalizamos esta tese com um estudo sobre o processo de termalização de dois spins interagentes fracamente acoplados a reservatórios térmicos bosônicos independentes ou um único reservatório coletivo, além de apresentar alguns resultados referentes a sistemas maiores, formados por um número arbitrário de spins.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6362.pdf: 1897034 bytes, checksum: c83efb3252adeb24e85652c3a2f8240c (MD5) Previous issue date: 2014-08-26 / Universidade Federal de Sao Carlos / We are interested in understanding the process of Markovian thermalization in quantum systems when we have one or two qubits interacting with a quantum electromagnetic field mode, using the Rabi model, in situations where there is interaction with a reservoir modeling the environment surrounding the system. This analysis of the thermalization is based on the calculation of the eigenvalues of the Liouvillian of the Markovian master equation. We will focus mainly on situations where there is interaction with independent and collective reservoirs, for cases where the subsystems interact with reservoirs at T=0K and T >0K. We investigate situations where there is no thermalization of the system and how this may influence interesting physical properties, such as the statistical properties of the field in the ultra strong scheme using the theory of input-output and quantum correlations between qubits collectively interacting with Markovian reservoirs. / Estamos interessados em entender o processo de termalização em sistemas quânticos markovianos, quando temos um ou dois qubits interagindo com um modo quântico do campo eletromagnético, utilizando o modelo de Rabi, em situações onde há interação com estruturas de reservatório que modelam o ambiente que cerca o sistema. Essa análise da termalização é baseada no cálculo dos autovalores do liouvilliano da equação mestra markoviana. Iremos focar principalmente nas situações onde há interação com reservatórios independentes e coletivos, para casos onde o subsistema interage com reservatórios a T=0K e T >0K. Investigamos situações onde há termalização ou não do sistema e como esse fator pode influenciar nas propriedades físicas interessantes, como, por exemplo, a estatística de detecção de fótons no regime ultra forte utilizando a teoria de entrada e saída e correlações quânticas entre os qubits interagindo com reservatórios markovianos.

Orientador: Marcus Aloizio Martinez de Aguiar / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-06T21:05:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bonanca_MarcusViniciusSegantini_D.pdf: 10284922 bytes, checksum: 28ea976c05e0eadcda732211e40afb25 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Neste trabalho, estudamos de que maneira e sob que condições um sistema caótico com apenas dois graus de liberdade produz efeitos irreversíveis como dissipação, termalização e, do ponto de vista quântico, perda de coerência em um sistema simples a ele acoplado. Na formulação clássica do problema, descrevemos analiticamente o comportamento do fluxo de energia em Resposta Linear e apontamos o ingrediente talvez principal que um sistema caótico possui para causar irreversibilidade: correlações que decaem exponencialmente. Mostramos que é possível descrever o equilíbrio assintótico inclusive com uma temperatura, o que é não-intuitivo em se tratando de sistemas pequenos. Esse último resultado completa o paralelo entre o movimento Browniano usual e o modelo proposto. Formulamos o problema do ponto de vista quântico via o formalismo de Funcionais de Influência. Mostramos que este formalismo é mesmo adequado pois a influência do sistema caótico é descrita pelas contrapartidas quânticas das mesmas funções que encontramos na Resposta Linear clássica. Calculamos semiclassicamente essas funções e mostramos que os termos em mais baixa ordem da aproximação semiclássica evoluem conforme a dinâmica clássica caótica. As escalas de tempo da análise clássica se mostram fundamentais para a resolução dos cálculos assim como a análise semiclássica das funções de correlação. Mostramos que efeitos de dissipação e perda de coerência, no contexto quântico, são possíveis devido ao caráter caótico do sistema / Abstract: We study here how and under which conditions a chaotic system with only two degrees of freedom can produce irreversible phenomena such as dissipation, thermalization and, from the quantum point of view, decoherence in a simple system coupled to it. In the classical formulation of the problem, we describe analytically the behavior of the energy ux in Linear Response regime and we point the main ingredient for a chaotic system to produce irreversible effects: correlations with exponential decay. We show that it is possible to describe the asymptotic equilibrium even with a temperature, which seems to be a counter intuitive result for systems with few degrees of freedom. We formulate the problem from the quantum point of view using In uence Functionals approach. We show the formalism is very adequate since the chaotic system in uence is described by quantum analogues of the same functions we obtain in the Linear Response approach to the classical problem. We calculate those functions semiclassically and we show the lowest order terms of the semiclassical approximation evolve as given by classical chaotic dynamics. The time scales of the classical analysis are shown to be very important for the resolution of the quantum problem as well as the semiclassical analysis of the correlation functions. We show that dissipative and decoherence effects, in the quantum regime, are possible due to the chaotic dynamics of the system / Doutorado / Física Estatistica e Termodinamica / Doutor em Ciências