Techn. Universiẗat, Diss., 2000--Berlin.

This thesis studies connections between quantum information measures and geometric features of spacetimes within the AdS/CFT correspondence. These studies are motivated by the idea that spacetime can be thought of as an effect emerging from an underlying entanglement structure in the AdS/CFT correspondence. In particular, I study generalized entanglement measures in two-dimensional conformal field theories and their holographic duals. Unlike the ordinary entanglement entropy of a spatial subregion typically used in the AdS/CFT context, the generalization considered here measures correlations between different fields as well as between spatial degrees of freedom. I present a new gauge invariant definition of the generalized entanglement entropy applicable to both mixed and pure states as well as explicit results for thermal states of the S_N-orbifold theory of the D1/D5 system. Along the way, I develop computation techniques for conformal blocks on the torus and apply them to the calculation of the ordinary entanglement entropy for large central charge CFTs at finite size and finite temperature. The generalized Ryu-Takayanagi formula arising from these studies provides further support for the idea that entanglement and geometry are intrinsically linked in AdS/CFT. The results show that the holographic dual to the generalized entanglement entropy given by the length of a geodesic winding around black hole horizons or naked singularities probes subregions of spacetime that are inaccessible to Ryu-Takayanagi surfaces, thereby solving the puzzle of how these features of the spacetime are encoded in the boundary theory. Furthermore, I investigate quantum circuits embedded in two-dimensional conformal field theories as well as computational complexity measures therein. These investigations are motivated by conjectures relating computational complexity in conformal field theories to geometric features of black hole geometries. In this thesis, I study quantum circuits built up from conformal transformations. I investigate examples of computational complexity measures in these circuits related to geometric actions on coadjoint orbits of the Virasoro group and to the Fubini-Study metric. I then work out relations between these computational complexity measures and the dual gravitational theory. Moreover, I construct a bulk dual to the circuits in consideration and use this construction to study geometric realizations of computational complexity measures from first principles. The results of this part on the one hand rule out some possibilities for dual realizations of computational complexity in two-dimensional CFTs put forward in previous work while on the other hand providing a new robust dual realization of a computational complexity measure based on the Fubini-Study distance. / Diese Dissertation befasst sich mit Zusammenhängen zwischen Quanteninformationsmaßen und geometrischen Eigenschaften von Raumzeiten im Rahmen der AdS/CFT-Korrespondenz. Diese Untersuchungen sind motiviert durch die Idee, dass die Raumzeit in der AdS/CFT-Korrespondenz als ein Effekt verstanden werden kann, der aus einer zugrundeliegenden Verschränkungsstruktur entsteht. Insbesondere untersuche ich in dieser Arbeit verallgemeinerte Verschränkungsmaße in zweidimensionalen konformen Feldtheorien und deren holographisch duale Realisierungen. Anders als die normale Verschränkungsentropie einer räumlichen Teilregion, die üblicherweise im AdS/CFT-Kontext betrachtet wird, misst die verallgemeinerte Verschränkungsentropie Korrelationen sowohl zwischen verschiedenen Feldern als auch zwischen räumlichen Freiheitsgraden. Ich stelle eine neue eichinvariante Definition der verallgemeinerten Verschränkungsentropie, die sowohl für reine als auch für gemischte Zustände anwendbar ist, sowie explizite Berechnungen dieser Verschränkungsentropie in der S_N-Orbifaltigkeitstheorie des D1/D5-Systems vor. Nebenbei entwickle ich Berechnungsmethoden für konforme Blöcke auf dem Torus und wende diese auf die Berechnung der normalen Verschränkungsentropie für konforme Feldtheorien mit großer zentraler Ladung bei endlicher Systemgröße und endlicher Temperatur an. Die verallgemeinerte Ryu-Takayanagi-Formel, die sich aus diesen Betrachtungen ergibt, unterstützt die Idee, dass Verschränkung und Geometrie in der AdS/CFT-Korrespondenz untrennbar miteinander verbunden sind. Die Ergebnisse zeigen, dass das holographische Dual zur verallgemeinerten Verschränkungsentropie, gegeben durch die Länge einer Geodäte die sich um einen Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs oder eine nackte Singularität windet, in Teilregionen der Raumzeit eindringt die für Ryu-Takayanagi-Flächen unerreichbar sind. Damit klären sie auf wie diese Eigenschaften der Raumzeit in der Randtheorie kodiert sind. Des weiteren untersuche ich Quantenschaltkreise eingebettet in zweidimensionale konforme Feldtheorie und deren Komplexität. Diese Untersuchungen sind motiviert durch Hypothesen, die Komplexitätstheorie mit Eigenschaften von Raumzeiten schwarzer Löcher in Verbindung bringen. In dieser Dissertation analysiere ich Quantenschaltkreise, die aus konformen Transformationen aufgebaut sind. Ich betrachte Komplexitätsmaße in diesen Schaltkreisen zusammenhängend mit geometrischen Wirkungen auf koadjungierten Orbits der Virasoro-Gruppe oder mit der Fubini-Study-Metrik und arbeite Zusammenhänge zwischen diesen Komplexitätsmaßen und Aspekten der dualen Gravitationstheorie heraus. Außerdem konstruiere ich das Dual der betrachteten Schaltkreise in der Gravitationstheorie und untersuche damit geometrische Realisierungen von Komplexitätsmaßen. Die Ergebnisse dieses Teils schließen einerseits einige Möglichkeiten für duale Realisierungen von Komplexitätsmaßen aus, die in vorigen Arbeiten vorgeschlagen wurden, ergeben aber andererseits eine robuste neue duale Realisierung eines Komplexitätsmaßes basierend auf der Fubini-Study-Metrik.

In this thesis, I establish new relations between quantum information measures in a two-dimensional CFT and geometric objects in a three-dimensional AdS space employing the AdS/CFT correspondence. I focus on two quantum information measures: the computational cost of quantum circuits in a CFT and Berry phases in two entangled CFTs. In particular, I show that these quantities are associated with geometric objects in the dual AdS space. / In dieser Arbeit stelle ich neue Beziehungen zwischen Quanteninformationsmaßen in einer zweidimensionalen CFT und geometrischen Objekten in einem dreidimensionalen AdS-Raum unter Verwendung der AdS/CFT-Korrespondenz her. Ich betrachte zwei Quanteninformationsmaße: die Rechenkosten eines Quantenschaltkreises in der CFT und Berry-Phasen in zwei verschränkten CFTs. Insbesondere zeige ich, dass diese Größen mit geometrischen Objekten im AdS-Raum assoziiert sind.

Thesis (doctoral)--Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 1999. / Includes bibliographical references (p. 121-123).

Techn. University, Diss., 2003--Berlin.

Konforme Potenzen des Dirac Operators einer semi Riemannschen Spin-Mannigfaltigkeit werden untersucht. Wir präsentieren einen neuen Beweis, basierend auf dem Traktor Kalkül, für die Existenz von konformen ungeraden Potenzen des Dirac Operators auf semi Riemannschen Spin-Mannigfaltigkeiten. Desweiteren konstruieren wir eine neue Familie von konform kovarianten linearen Differentialoperatoren auf dem standard spin Traktor Bündel. Weiterhin verallgemeinern wir den Existenzbeweis für konforme ungerade Potenzen des Dirac Operators auf semi Riemannsche Spin-Mannigfaltigkeiten. Da die Existenzbeweise konstruktive sind, erhalten wir explizite Formeln für die konforme dritte und fünfte Potenz des Dirac Operators. Basierend auf den expliziten Formeln zeigen wir, dass die konforme dritte und fünfte Potenz des Dirac Operators formal selbstadjungiert (anti selbstadjungiert) bezüglich des L2-Skalarproduktes auf dem Spinorbündel ist. Abschliessend präsentieren wir neue Strukturen der konformen ersten, dritten und fünften Potenz des Dirac Operators: Es existieren lineare Differentialoperatoren auf dem Spinorbündel der Ordnung kleiner gleich eins, so dass die konforme erste, dritte und fünfte Potenz des Dirac Operators ein Polynom in jenen Operatoren ist. / Conformal powers of the Dirac operator on semi Riemannian spin manifolds are investigated. We give a new proof of the existence of conformal odd powers of the Dirac operator on semi Riemannian spin manifolds using the tractor machinery. We will also present a new family of conformally covariant linear differential operators on the standard spin tractor bundle. Furthermore, we generalize the known existence proof of conformal power of the Dirac operator on Riemannian spin manifolds to semi Riemannian spin manifolds. Both proofs concering the existence of conformal odd powers of the Dirac operator are constructive, hence we also derive an explicit formula for a conformal third- and fifth power of the Dirac operator. Due to explicit formulas, we show that the conformal third- and fifth power of the Dirac operator is formally self-adjoint (anti self-adjoint), with respect to the L2-scalar product on the spinor bundle. Finally, we present a new structure of the conformal first-, third- and fifth power of the Dirac operator: There exist linear differential operators on the spinor bundle of order less or equal one, such that the conformal first-, third- and fifth power of the Dirac operator is a polynomial in these operators.

Die konforme Feldtheorie findet in verschiedenen Bereichen Anwendungen, von statistischen Systemen in der Nähe kritischer Punkte bis hin zur Quantengravitation durch die AdS/CFT-Korrespondenz. Diese Theorien unterliegen starken Einschränkungen, die eine systematische nicht-perturbative Analyse ermöglichen. Konforme Defekte bieten eine kontrollierte Möglichkeit, die Symmetrie zu brechen und neue physikalische Phänomene einzuführen, während wichtige Vorteile der zugrunde liegenden konformen Symmetrie erhalten bleiben. Diese Dissertation untersucht konforme Liniendefekte sowohl im schwachen als auch im starken Kopplungsregimes. Es werden zwei verschiedene Klassen von Modellen untersucht. Wir konzentrieren uns zuerst auf die supersymmetrische Wilson-Linie in N = 4 Super Yang-Mills, die als ideales Testfeld für die Entwicklung innovativer Techniken wie dem analytischen konformen Bootstrap dient. Die zweite Klasse besteht aus magnetische Linien in Yukawa-Modellen, die faszinierende Anwendungen in 3d kondensierten Materiesystemen haben. Diese Systeme haben das Potenzial, Phänomene des Standardmodells in einem Niedrigenergieszenario nachzubilden. / Conformal field theory finds applications across diverse fields, from statistical systems at criticality to quantum gravity through the AdS/CFT correspondence. These theories are subject to strong constraints, enabling a systematic non-perturbative analysis. Conformal defects provide a controlled means of breaking the symmetry, introducing new physical phenomena while preserving crucial benefits of the underlying conformal symmetry. This thesis investigates conformal line defects in both the weak- and strong-coupling regimes. Two distinct classes of models are studied. First, we focus on the supersymmetric Wilson line in N = 4 Super Yang–Mills, which serves as an ideal testing ground for the development of innovative techniques such as the analytic conformal bootstrap. The second class consists of magnetic lines in Yukawa models, which have fascinating applications in 3d condensed-matter systems. These systems have the potential to emulate phenomena observed in the Standard Model in a low-energy setting.

Auf sehr kleinen Längenskalen erlaubt die Weltflächenbeschreibung über zweidimensionale konforme Feldtheorien eine störungstheoretische Definition der String-Theorie. Viele strukturelle Eigenschaften und phänomenologische Implikationen der letzteren können mit Hilfe von D(irichlet)-Branen untersucht werden, die in der zugrunde liegenden Weltflächentheorie durch konforme Randbedingungen beschrieben werden. Etliche interessante Hintergründe für die String-Theorie erhält man über Gruppenmannigfaltigkeiten und Coset-Modelle. Neben wichtigen Beispielen wie SL(2,R), SU(2) und Gepner-Modellen, die für AdS- und Calabi-Yau-Kompaktifizierungen eine Rolle spielen, beinhalten sie außerdem weitere Beispiele wie den Nappi-Witten-Hintergrund oder den Raum T^11, die über eine asymmetrische Wirkung der Eichgruppe definiert sind und eine kosmologische Raumzeit mit Urknall- und Weltsturz-Singularitäten bzw. die Basis des Conifolds beschreiben. Die vorliegende Arbeit bietet eine umfassende, auf den exakten Methoden der konformen Feldtheorie beruhende Analyse von asymmetrischen Coset-Modellen. Wegen der heterotischen Natur der zugrundeliegenden Symmetriealgebra erlauben diese Modelle nur Randbedingungen, die einen Teil der Symmetrie brechen. Nach einer allgemeinen Erläuterung der Grundidee für die Konstruktion von symmetriebrechenden Randbedingungen richtet sich das Hauptaugenmerk auf WZNW- und asymmetrische Coset-Modelle, die das Fundament nahezu aller bekannten konformen Feldtheorien bilden. Mit Hilfe der erzielten Ergebnisse werden die Struktur sowie die Geometrie von D-Branen in den Gruppen SL(2,R) und SU(2), im Hintergrund AdS_3 x S^3, in der kosmologischen Nappi-Witten-Raumzeit und in T^pq-Räumen untersucht. Die Techniken, die in dieser Arbeit entwickelt werden, erlauben jedoch ebenso die Behandlung von Rändern und Kontaktstellen in (1+1)- oder 2-dimensionalen kritischen Systemen, die in der Festkörpertheorie oder der statistischen Physik auftreten. Insbesondere können Defektlinien beschrieben werden, die weder totale Reflexion noch völlige Transmission aufweisen. / At very small length scales, the world sheet approach in terms of two-dimensional conformal field theories provides a perturbative definition of string theory. Many structural properties and phenomenological implications of the latter can be explored using D(irichlet)-branes which may be identified with conformal boundary conditions in the underlying world sheet theory. Several interesting backgrounds in string theory arise from group manifolds and coset theories. Apart from prominent examples such as SL(2,R), SU(2) and Gepner models which play a role in AdS and Calabi-Yau compactifications, they also include further instances like the Nappi-Witten background or the space T^11 which are constructed using an asymmetric action of the gauge group and which describe a cosmological space-time with big-bang and big-crunch singularities and the base of the conifold, respectively. The present thesis provides a comprehensive analysis of asymmetric cosets based on the exact methods of boundary conformal field theory. Due to the heterotic nature of the underlying symmetry algebra, the models only allow for conformal boundary conditions which break parts of the bulk symmetry. The universal ideas for the construction of symmetry breaking boundary conditions are indicated and applied in detail to WZNW and asymmetric coset theories which provide the basic building blocks of almost all known conformal field theories. The general results are used to investigate the structure and shape of D-branes in the group manifolds SL(2,R) and SU(2), the background AdS_3 x S^3, the cosmological Nappi-Witten space-time and T^pq-spaces. The techniques developed in this thesis also allow for a treatment of boundaries and junctions in (1+1)- or 2-dimensional critical systems in condensed matter theory and statistical physics. In particular, they enable us to describe defect lines which go beyond full reflection or transmission.

Eine almost Einstein-Struktur (M,g,sigma) ist eine n-dimensionale zusammenhängende Mannigfaltigkeit M mit einer pseudo-riemannschen Metrik g und einer glatten Skalenfunktion sigma deren almost Einstein-Tensor A[g,sigma] (der spurfreie Anteil von Hess[g] sigma + sigma P[g], wobei P[g] den Schouten-Tensor bezeichnet) verschwindet. Sie verallgemeinert die Idee einer Einsteinmannigfaltigkeit in dem Sinne, dass die konform geänderte Metrik 1/sigma^2 g außerhalb der Nullstellenmenge Sigma = sigma^(-1)(0) eine Einstein-Metrik ist. Ziel dieser Doktorarbeit ist es, ein detailiertes Bild von Sigma in Lorentzsignatur (-+...+) zu erhalten. Teil dieser Arbeit ist zudem eine indexfreie Darstellung ausgewählter Resultate für konform kompaktifizierbare Einsteinmannigfaltigkeiten in Lorentzsignatur im Rahmen von almost Einstein-Strukturen. Diese Umformulierung wird dann benutzt, um eine Verallgemeinerung der konformen Wellengleichungen für beliebige gerade Dimensionen n = 2m > 4 vorzuschlagen. / An almost Einstein structure (M,g,sigma) is an n-dimensional connected manifold M equipped with a pseudo-Riemannian metric g and a scale factor sigma in C^infty(M) such that the almost Einstein tensor A[g,sigma] (the trace-free part of Hess[g] sigma + sigma P[g], with Schouten tensor P[g]) vanishes. It generalises the idea of an Einstein manifold in the way that 1/sigma^2 g is an Einstein metric away from the singularity set Sigma = sigma^(-1)(0). The purpose of this thesis is to get a detailed picture of Sigma in Lorentzian signature (-+...+). Part of this thesis is also an index-free survey of selected results on conformally compact Einstein manifolds in Lorentzian signature in the framework of almost Einstein structures. This reformulation is used to suggest a generalisation of the conformal wave equations to arbitrary even dimensions n = 2m > 4.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit drei Aspekten der AdS/CFT-Korrespondenz, die alle einen Schritt über die klassische SUGRA-Näherung hinausgehen. Zuerst diskutieren wir den BMN Grenzfall der Korrespondenz und untersuchen insbesondere das Verhalten der quantenfeldtheoretischen Propagatoren. Dabei weisen wir nach, dass die Propagatoren im für den BMN Fall relevanten Hintergrund ebener Wellen semiklassisch (WKB) exakt beschrieben werden. Danach wird im Rahmen der AdS/CFT-Korrespondenz der Grenzfall verschwindender Kopplung der konformen Feldtheorie betrachtet. Zur technischen Vereinfachung geschieht dies für das Beispiel des O(N)-Vektormodells. Dabei wird die OPE der Vierpunktfunktionen so umgeschrieben, dass sie strukturelle Ähnlichkeit mit Witten-Diagrammen einer korrespondierenden Theorie von Strömen mit höherem Spin hat. Außerdem wird das O(N)- Vektormodell bei großem N am wechselwirkenden Infrarot-Fixpunkt untersucht. Im letzten Punkt wenden wir uns schließlich der ursprünglichen AdS/CFTDualität unter Mitnahme der nächstführenden Ordnung der 1/N-Entwicklung zu. Für die Deformationen der CFT durch relevante Doppelspur-Operatoren finden wir bei Zustandssummen und konformen Anomalien exakte Übereinstimmung zwischen direkter und AdS-seitiger indirekter Rechnung. Damit wird ein nicht trivialer Test der Korrespondenz über die SUGRA-Näherung hinaus erbracht. / This thesis deals with three corners of the AdS/CFT Correspondence that lie one step beyond the classical supergravity (SUGRA) approximation. We first explore the BMN limit of the duality and study, in particular, the behavior of field theoretic propagators in the corresponding Penrose limit. We unravel the semiclassical (WKB-) exactness of the propagators in the resulting plane wave background metric. Then, we address the limit of vanishing coupling of the conformal field theory (CFT) at large N. In the simplified scenario of Higher Spin/O(N) Vector Model duality, the conformal partial wave (CPW) expansion of scalar four-point functions are reorganized to make them suggestive of a bulk interpretation in term of a consistent truncated massless higher spin theory and their corresponding exchange Witten graphs. We also explore the connection to the interacting O(N) Vector Model at its infra-red fixed point, at leading large N. Finally, coming back to the gauge theory, we study the effect of a relevant double-trace deformations of the boundary CFT on the partition function and its dual bulk interpretation. We show how the one-loop computation in the Anti-de Sitter (AdS) space correctly reproduces the partition function and conformal anomaly of the boundary theory. In all, we get a clean test of the duality beyond the classical SUGRA approximation in the AdS bulk and at the corresponding next-to-leading 1/N order of the CFT at the conformal boundary.