Intrication quantique des réseaux de spin et états de frontière en Gravité Quantique à Boucles

Spin network Entanglement and Bulk-Boundary Map in Loop Quantum Gravity

• Auteur / Autrice : Qian Chen
• Direction : Etera R. Livine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/11/2022
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Simone Speziale
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etera R. Livine, Simone Speziale, Bianca Dittrich, Yongge Ma, Daniele Oriti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bianca Dittrich, Yongge Ma

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intrication quantique

Gravité quantique

Mots clés libres

Gravitation quantique

Gravitation quantique à boucles

Réseau de spin

Intrication quantique

États quantiques de bord

Purification

Coarse-graining

Quantum gravity

Loop quantum gravity

Spin network

Quantum information

Quantum entanglement

Purification

Coarse-graining

Résumé

Cette thèse explore la question de la gravitation quantique, qui vise l'unification de la théorie de la relativité générale et de la théorie quantique des champs et étudie les conséquences phénoménologiques d'une telle théorie physique nouvelle. Récemment, les efforts sur cette ligne de recherche se sont concentrés sur l'idée d'holographie gravitationnelle et sur l'interface entre géométrie et information quantique. Dans ce contexte, la présente thèse est consacrée à l'implémentation et l'analyse de ces problématiques à la théorie de la gravitation quantique à boucles (loop quantum gravity). L'objectif est double, il s'agit de: (1) formuler une description quasi-locale de la gravitation quantique à boucle explicitant avec la relation entre états de géométries 4D et états de frontière 3D ; (2) formuler la géométrie quantique à l'échelle de Planck en termes d'information quantique et de flux quantique. Ainsi, nous étudions les réseaux de spin ouverts (open spin networks), qui définissent les états quantiques de géométrie de variété 4D avec frontière. Nous les formulons comme des fonctions d'onde envoyant les géométries d'espace-temps 4D sur les états quantiques de bord. La question de l'holographie gravitationnelle est alors de comprendre à quel point il est possible de reconstruire la géométrie 4D à partir d'un état quantique de bord. En termes d'information quantique, il s'agit de la purification de l'état mixte de la frontière en un état pur de de la géométrie de l'intérieur. Nous prouvons un théorème de reconstruction universelle: pour un état de frontière quelconque, il est toujours possible de reconstruire un état pur de géométrie 4D sans profondeur. Cela constitue le point de départ de l'étude de l'holographie de la gravitation quantique à boucles. Poussant l'étude de l'intrication quantique multipartite dans les réseaux de spin, en particulier son comportement sous l'action de l'opérateur d'holonomie, nous prouvons l'invariance de l'intrication quantique sous coarse-graining de l'état quantique.

General relativity is the most widely accepted gravitational theory to date which describes cosmological scale in terms of differential geometry of spacetime, and quantum theory is the most accurate physical theory which describes microscopic scale in terms of non-commutative algebra. While the two fundamental physical theories have not been put into one picture. Loop quantum gravity is a tentative theory of quantum gravity that inherits the essences from the two theories. One of crucial properties of loop quantum gravity is diffeomorphism invariance, which, however, leads to the absence of locality in the theory. Inspired from the insights of holography and relational perspective, the issue involved to locality could be resolved by the prescriptions of quasi-locality and emergent geometry. Following the two insights, it is conceivable that the diffeomorphism invariant operators are entirely described by a theory living on boundary, and the quantum geometry could be reconstructed/emerged from entanglement and correlation. This thesis is dedicated to the relevant explorations: (1) to formulate a quasi-local description for loop quantum gravity with bulk-to-boundary relation; (2) to formulate quantum geometry in terms of the notions of quantum information theory. We wish these formulations shed light on the holography and renormalization flow in loop quantum gravity. We study open spin networks, which are embedded in manifolds with non-empty boundaries, from the viewpoint of bulk-boundary maps. Based on it, we formulate quasi-local descriptions of loop quantum gravity. We investigate the coarse-graining procedure via tracing over bulk degrees of freedom, which encodes all that we can know about the quantum state of geometry from probing the boundary. We prove a boundary-to bulk universal reconstruction procedure, to be understood as a purification of the mixed boundary state into a pure bulk state. We then move to define multipartite entanglement in spin networks, and show the computation of entanglement excitation from holonomy operator, which also allows us to glimpse bulk curvature from entanglement. Moreover, by investigating another coarse-graining procedure - via gauge-fixing, which does not trace over any bulk degrees of freedom, we show a new interesting connection between bulk geometry and boundary observables via the dynamics of entanglement. Finally, we define the spin network entanglement between spin sub-networks, which correspond to spatial sub-regions. We then generalize the coarse-graining approach, and prove that the entanglement between spin sub-networks is preserved under the coarse-graining (via gauge-fixing), which exhibits a holographic perspective for the topic of entanglement.