The purpose of this study was to critically evaluate Tom Stoppard’s application of chaos theory and quantum science in ROSENCRANTZ AND GUILDENSTERN ARE DEAD, HAPGOOD and ARCADIA; and determine the extent to which Stoppard argues for the importance of human action and choice. Through critical analysis this study examined how Stoppard applies the quantum aspects of: (1) indeterminacy to human epistemology in ROSENCRANTZ AND GUILDENSTERN ARE DEAD; (2) complementarity to human identity in HAPGOOD; and (3) recursive symmetry to human history in ARCADIA. It also examined how Stoppard excavates the complexities of human action, choice and identity through the lens of chaos theory and quantum science. These findings demonstrated that Tom Stoppard is not merely juxtaposing quantum science and human interactions for the sake of drama; rather, by excavating the complexities of human action, choice and identity through the lens of chaos theory and quantum science, Stoppard demonstrates the fundamental connection between individuals and the post-Newtonian universe.

Entanglement is a fundamental property of quantum systems and its characterization is a central problem for physics. Moreover, there is an increasing demand for scalable protocols that can certify the presence of entanglement. This is primarily due to the role of entanglement as a crucial resource for quantum technologies. However, systematic entanglement certification is highly challenging, and this is particularly the case for quantum many-body systems. In this dissertation, we tackle this challenge and introduce some techniques that allow the certification of multipartite entanglement in many-body systems. This is demonstrated with an application to a model of interacting fermions that shows the presence of resilient multipartite entanglement at finite temperatures. Moreover, we also discuss some subtleties concerning the definition entanglement in systems of indistinguishable particles and provide a formal characterization of multipartite mode entanglement. This requires us to work with an abstract formalism that can be used to define entanglement in quantum many-body systems without reference to a specific structure of the states. To further showcase this technique, and also motivated by current quantum simulation efforts, we use it to extend the framework of entanglement witnesses to lattice gauge theories. / L'entanglement è una proprietà fondamentale dei sistemi quantistici e la sua caratterizzazione è un problema centrale per la fisica. Inoltre, vi è una crescente richiesta di protocolli scalabili in grado di certificare la presenza di entanglement. Ciò è dovuto principalmente al ruolo dell'entanglement come risorsa cruciale per le tecnologie quantistiche. Tuttavia, la certificazione sistematica dell'entanglement è molto impegnativa, e questo è particolarmente vero per i sistemi quantistici a molti corpi. In questa dissertazione, affrontiamo questa sfida e introduciamo alcune tecniche che consentono la certificazione dell'entanglement multipartito in sistemi a molti corpi. Ciò è dimostrato con un'applicazione a un modello di fermioni interagenti che mostra la presenza di entanglement multipartito resiliente a temperature finite. Inoltre, discutiamo anche alcune sottigliezze riguardanti la definizione di entanglement in sistemi di particelle indistinguibili e forniamo una caratterizzazione formale dell'entanglement multipartito. Ciò ci richiede di lavorare con un formalismo astratto che può essere utilizzato per definire l'entanglement nei sistemi quantistici a molti corpi senza fare riferimento a una struttura specifica degli stati. Per mostrare ulteriormente questa tecnica, e anche motivata dagli attuali sforzi di simulazione quantistica, la usiamo per estendere la struttura dei testimoni di entanglement alle teorie di gauge del reticolo.

<p dir="ltr">Quantum information science and technology has been at the forefront of science and technology since MIT mathematician Peter Shor discovered a quantum algorithm to factor large numbers in 1994. Advancement in quantum theory also advances practical technological applications. Quantum technology can be applied both in civilian society and the military field from encryption, artificial intelligence, sensing, to communications. This multi-purpose applicability, therefore, has the potential to alter international security as scientifically advanced nation-states vie for quantum supremacy. This research examines the applications of quantum science and how these applications can potentially impact international security. Because nation-states fund and support quantum science research, sources of method will include academic journals and online resources as well as government reports. Practical applications of quantum technology, including quantum computing, quantum sensing, and quantum communication, will constitute the primary scope of this research.</p>

Cold-atom quantum simulators offer unique possibilities to prepare, manipulate, and probe quantum many-body systems. However, despite the high level of control in modern experiments, not all observables of interest are easily accessible. This thesis aims at establishing protocols to measure currently elusive static and dynamic properties of quantum systems. The experimental feasibility of these schemes is illustrated by means of numerical simulations for relevant applications in many-body physics and quantum simulation. In particular, we introduce a general method for measuring dynamical correlations based on non-Hermitian linear response. This enables unbiased tests of the famous fluctuation-dissipation relation as a probe of thermalization in isolated quantum systems. Furthermore, we develop ancilla-based techniques for the measurement of currents and current correlations, permitting the characterization of strongly correlated quantum matter. Another application is geared towards revealing signatures of supersolidity in spin-orbit-coupled Bose gases by exciting the relevant Goldstone modes. Finally, we explore a scenario for quantum-simulating post-inflationary reheating dynamics by parametrically driving a Bose gas into the regime of universal far-from-equilibrium dynamics. The presented protocols also apply to other analog quantum simulation platforms and thus open up promising applications in the field of quantum science and technology. / I simulatori quantistici ad atomi freddi offrono possibilità uniche per preparare, manipolare e sondare sistemi quantistici a molti corpi. Tuttavia, nonostante l'alto livello di controllo raggiunto negli esperimenti moderni, non tutte le osservabili di interesse sono facilmente accessibili. Lo scopo di questa tesi è quello di stabilire protocolli per misurare delle proprietà statiche e dinamiche dei sistemi quantistici attualmente inaccessibili. La fattibilità sperimentale di questi schemi è illustrata mediante simulazioni numeriche per applicazioni rilevanti nella fisica a molti corpi e nella simulazione quantistica. In particolare, introduciamo un metodo generale per misurare le correlazioni dinamiche basato su una risposta lineare non hermitiana. Ciò consente test imparziali della famosa relazione fluttuazione-dissipazione come sonda di termalizzazione in sistemi quantistici isolati. Inoltre, sviluppiamo tecniche basate su ancilla per la misura di correnti e correlazioni di corrente, consentendo la caratterizzazione della materia quantistica fortemente correlata. Un'altra applicazione è orientata a rivelare l'impronta della supersolidità nei gas Bose con accoppiamento spin-orbita eccitando il corrispondente modo di Goldstone. Infine, esploriamo uno scenario per la simulazione quantistica della dinamica di riscaldamento post-inflazione modulando parametricamente un gas Bose e portandolo nel regime della dinamica universale lontana dall'equilibrio. I protocolli presentati si applicano anche ad altre piattaforme di simulazione quantistica analogica e aprono quindi applicazioni promettenti nel campo della scienza e della tecnologia quantistica. / Quantensimulatoren auf Basis ultrakalter Atome eröffnen einzigartige Möglichkeiten zur Präparation, Manipulation und Untersuchung von Quanten-Vielteilchen-Systemen. Trotz des hohen Maßes an Kontrolle in modernen Experimenten sind jedoch nicht alle interessanten Observablen auf einfache Weise zugänglich. Ziel dieser Arbeit ist es, Protokolle zur Messung aktuell nur schwer erfassbarer statischer und dynamischer Eigenschaften von Quantensystemen zu etablieren. Die experimentelle Realisierbarkeit dieser Verfahren wird durch numerische Simulationen anhand relevanter Anwendungen in der Vielteilchenphysik und Quantensimulation veranschaulicht. Insbesondere wird eine allgemeine Methode zur Messung dynamischer Korrelationen basierend auf der linearen Antwort auf nicht-hermitesche Störungen vorgestellt. Diese ermöglicht unabhängige Tests des berühmten Fluktuations-Dissipations-Theorems als Indikator der Thermalisierung isolierter Quantensysteme. Darüber hinaus werden Verfahren zur Messung von Strömen und Strom-Korrelationen mittels Kopplung an einen Hilfszustand entwickelt, welche die Charakterisierung stark korrelierter Quantenmaterie erlauben. Eine weitere Anwendung zielt auf die Enthüllung spezifischer Merkmale von Supersolidität in Spin-Bahn-gekoppelten Bose-Einstein-Kondensaten ab, indem die relevanten Goldstone-Moden angeregt werden. Schließlich wird ein Szenario zur Quantensimulation post-inflationärer Thermalisierungsdynamik durch die parametrische Anregung eines Bose-Gases in das Regime universeller Dynamik fern des Gleichgewichts erschlossen. Die dargestellten Protokolle lassen sich auch auf andere Plattformen für analoge Quantensimulation übertragen und eröffnen damit vielversprechende Anwendungen auf dem Gebiet der Quantentechnologie.