Intrication dans des systèmes quantiques à basse dimension

Entanglement in low-dimensional quantum systems

• Auteur / Autrice : Jean-Marie Stéphan
• Direction : Vincent Pasquier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique théorique
• Date : Soutenance le 12/12/2011
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique de la région parisienne (....-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Institut : Institut de physique théorique (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1982-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Pasquier, Pasquale Calabrese, Didier Poilblanc, Jean-Sébastien Caux, Jesper Jacobsen, Henk Hilhorst, Grégoire Misguich
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pasquale Calabrese, Didier Poilblanc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transitions de phases

Théorie quantique des champs

Matrices densité

Lois d'échelle (physique)

Mots clés libres

Intrication

Modèles de dimères quantique

Chaînes de spins

Transitions de phase quantiques

Trempes quantiques

Théorie conforme avec bord

Entanglement

Quantum dimer models

Spin chains

Quantum phase transitions

Quantum quenches

Boundary conformal field theory

Résumé

On a compris ces dernières années que certaines mesures d'intrications sont un outil efficace pour la compréhension et la caractérisation de phases nouvelles et exotiques de la matière, en particulier lorsque les méthodes traditionnelles basées sur l'identification d'un paramètre d'ordre sont insuffisantes. Cette thèse porte sur l'étude de quelques systèmes quantiques à basse dimension où un telle approche s'avère fructueuse. Parmi ces mesures, l'entropie d'intrication, définie via une bipartition du système quantique, est probablement la plus populaire, surtout à une dimension. Celle-ci est habituellement très difficile à calculer en dimension supérieure, mais nous montrons ici que le calcul se simplifie drastiquement pour une classe particulière de fonctions d'ondes, nommées d'après Rokhsar et Kivelson. L'entropie d'intrication peut en effet s'exprimer comme une entropie de Shannon relative à la distribution de probabilité générée par les composantes de la fonction d'onde du fondamental d'un autre système quantique, cette fois-ci unidimensionnel. Cette réduction dimensionnelle nous permet d'étudier l'entropie aussi bien par des méthodes numériques (fermions libres, diagonalisations exactes, ...) qu'analytiques (théories conformes). Nous argumentons aussi que cette approche permet d'accéder facilement à certaines caractéristiques subtiles et universelles d'une fonction d'onde donnée en général.Une autre partie de cette thèse est consacrée aux trempes quantiques locales dans des systèmes critiques unidimensionnels. Nous insisterons particulièrement sur une quantité appelée écho de Loschmidt, qui est le recouvrement entre la fonction d'onde avant la trempe et la fonction d'onde à temps t après la trempe. En exploitant la commensurabilité du spectre de la théorie conforme, nous montrons que l'évolution temporelle doit être périodique, et peut même être souvent obtenue analytiquement. Inspiré par ces résultats, nous étudions aussi la contribution de fréquence nulle à l'écho de Loschmidt après la trempe. Celle-ci s'exprime comme un simple produit scalaire -- que nous nommons fidélité bipartie -- et est une quantité intéressante en elle-même. Malgré sa simplicité, son comportement se trouve être très similaire à celui de l'entropie d'intrication. Pour un système critique unidimensionnel en particulier, notre fidélité décroît algébriquement avec la taille du système, un comportement rappelant la célèbre catastrophe d'Anderson. L'exposant est universel et relié à la charge centrale de la théorie conforme sous-jacente.

In recent years, it has been understood that entanglement measures can be useful tools for the understanding and characterization of new and exotic phases of matter, especially when the study of order parameters alone proves insufficient. This thesis is devoted to the study of a few low-dimensional quantum systems where this is the case. Among these measures, the entanglement entropy, defined through a bipartition of the quantum system, has been perhaps one of the most heavily studied, especially in one dimension. Such a quantity is usually very difficult to compute in dimension larger than one, but we show that for a particular class of wave functions, named after Rokhsar and Kivelson, the entanglement entropy of an infinite cylinder cut into two parts simplifies considerably. It can be expressed as the Shannon entropy of the probability distribution resulting from the ground-state wave function of a one-dimensional quantum system. This dimensional reduction allows for a detailed numerical study (free fermion, exact diagonalizations, \ldots) as well as an analytic treatment, using conformal field theory (CFT) techniques. We also argue that this approach can give an easy access to some refined universal features of a given wave function in general.Another part of this thesis deals with the study of local quantum quenches in one-dimensional critical systems. The emphasis is put on the Loschmidt echo, the overlap between the wave function before the quench and the wave function at time t after the quench. Because of the commensurability of the CFT spectrum, the time evolution turns out to be periodic, and can be obtained analytically in various cases. Inspired by these results, we also study the zero-frequency contribution to the Loschmidt echo after such a quench. It can be expressed as a simple overlap -- which we name bipartite fidelity -- and can be studied in its own right. We show that despite its simple definition, it mimics the behavior of the entanglement entropy very well. In particular when the one-dimensional system is critical, this fidelity decays algebraically with the system size, reminiscent of Anderson's celebrated orthogonality catastrophe. The exponent is universal and related to the central charge of the underlying CFT.