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Semiclassical stationary states for nonlinear Schr\"odinger equations under a strong external magnetic field
We construct solutions to the nonlinear magnetic Schr\"odinger equation in the semiclassical r\'egime with strong magnetic fields. In
contrast with the well-studied mild magnetic field r\'egime, the limiting
energy depends on the magnetic field allowing to recover the Lorentz force in
the semi-classical limit. Our solutions concentrate around global or local
minima of a limiting energy that depends on the electric potential and the
magnetic field. The results cover unbounded domains, fast-decaying electric
potential and unbounded electromagnetic fields. The construction is variational
and is based on an asymptotic analysis of solutions to a penalized problem in
the spirit of M. del Pino and P. Felmer.Comment: 23 pages, minor correction
Nonlinear Schr{\"o}dinger equation: concentration on circles driven by an external magnetic field
In this paper, we study the semiclassical limit for the stationary magnetic
nonlinear Schr\"odinger equation \begin{align}\label{eq:initialabstract}\left(
i \hbar \nabla + A(x) \right)^2 u + V(x) u = |u|^{p-2} u, \quad x\in
\mathbb{R}^{3},\end{align}where p\textgreater{}2, is a vector potential
associated to a given magnetic field , i.e and is a
nonnegative, scalar (electric) potential which can be singular at the origin
and vanish at infinity or outside a compact set.We assume that and
satisfy a cylindrical symmetry. By a refined penalization argument, we prove
the existence of semiclassical cylindrically symmetric solutions of upper
equation whose moduli concentrate, as , around a circle. We
emphasize that the concentration is driven by the magnetic and the electric
potentials. Our result thus shows that in the semiclassical limit, the magnetic
field also influences the location of the solutions of
(\ref{eq:initialabstract}) if their concentration occurs around a locus, not
a single point
Nonexistence and optimal decay of supersolutions to Choquard equations in exterior domains
We consider a semilinear elliptic problem with a nonlinear term which is the
product of a power and the Riesz potential of a power. This family of equations
includes the Choquard or nonlinear Schroedinger--Newton equation. We show that
for some values of the parameters the equation does not have nontrivial
nonnegative supersolutions in exterior domains. The same techniques yield
optimal decay rates when supersolutions exists.Comment: 47 pages, 8 figure
Stationary nonlinear Schr"odinger equations in with potentials vanishing at infinity
We deal with a class of 2-D stationary nonlinear Schrödinger equations (NLS) involving potentials V and weights Q decaying to zero at infinity as (1 + | x| α) - 1, α∈ (0 , 2) , and (1 + | x| β) - 1, β∈ (2 , + ∞) , respectively, and nonlinearities with exponential growth of the form exp γ0s2 for some γ0> 0. Working in weighted Sobolev spaces, we prove the existence of a bound state solution, i.e. a solution belonging to H1(R2). Our approach is based on a weighted Trudinger–Moser-type inequality and the classical mountain pass theorem
Quantum Control at the Boundary
Mención Internacional en el título de doctorEl principal objetivo de esta tesis es presentar y probar la viabilidad de
un método no estándar para controlar el estado de un sistema cuántico, cuya
dinámica está gobernada por la ecuación de Schrödinger, modificando sus
condiciones de frontera en lugar de interaccionar con el sistema a través de
campos externos para dirigir su estado.
El control del estado de sistemas cuánticos está volviéndose más y más
significativo dado el asombroso avance experimental que está teniendo lugar
motivado por la carrera para alcanzar tecnologías cuánticas efectivas. Un
requisito natural para cualquier procesador de información cuántico es el
control de los estados de un cúbit. Por ejemplo, los cúbits basados en espín
pueden controlarse a través de puertas universales basadas en la rotación
del espín un cierto ángulo sobre un eje dado [60]. Una demostración de la
viabilidad del control y de la lectura de alta fidelidad de un cúbit basado en
espín puede encontrarse en [55, 59].
El marco matemático necesario para trabajar con el control de sistemas
cuánticos basados en el espín es la Teoría de Control Geométrica (véase [19]
para un repaso de este enfoque). También puede mencionarse [15, 56], dónde
se realiza un estudio del control de sistemas cuánticos de espín utilizando
dicha teoría. Una revisión del estado de la cuestión en control (óptimo) de
sistemas cuánticos puede verse en [31]. Sin embargo, la Teoría de Control
Geométrica encuentra problemas serios a la hora de tratar sistemas infinito
dimensionales provenientes de las dificultades intrínsecas a la geometría en
dimensión infinita. Éste constituye un problema estándar que se aborda también,
por ejemplo, en Teoría de Campos y puede por lo tanto ser sorteado.
Sin embargo, lo cierto es que tan sólo un pequeño número de resultados han
aparecido en las fuentes bibliográficas, sobre todo referentes a la controlabilidad
de sistemas bilineales (cf. sec. 3.2). Véanse por ejemplo los trabajos de
Beauchard et al. [11, 12] y Chambrion et al. [18].
El enfoque habitual del control de sistemas cuánticos se basa en el uso de
campos externos para manipular el estado del sistema. Desde un punto de
vista tecnológico, aparecen dificultades al intentar controlar un sistema cuántico
de este modo que tienen que ver con las complicaciones para manipular
un sistema hecho de unas pocas partículas mientras se intenta mantener las correlaciones cuánticas. Como consecuencia, el sistema cuántico debe mantenerse
a muy baja temperatura y las interacciones debe producirse muy
rápidamente [5], lo cual es inconveniente para las aplicaciones.
El paradigma de Control Cuántico en la Frontera aborda el control de sistemas
cuánticos de una forma diametralmente opuesta al enfoque estándar. En
lugar de buscar el control del sistema cuántico interactuando directamente
con el sistema a través de un campo externo, el control se consigue manipulando
las condiciones de contorno del sistema. El espectro de un sistema
cuántico, por ejemplo un electrón moviéndose en un pozo de potencial, depende
de las condiciones de contorno (típicamente Dirichlet o Neumann). Por
lo tanto, modificando dichas condiciones de contorno puede modificarse el estado
del sistema, lo cual permitiría en última instancia controlarlo [34]. Este
tipo de interacción, que es más débil en cierto sentido, hace esperar que sea
más sencillo mantener las correlaciones cuánticas. Llamamos sistema (cuántico)
de control en la frontera a los sistemas definidos dentro de este paradigma
de control.
El marco establecido por el Control Cuántico en la Frontera ha sido usado
para mostrar cómo generar estados entrelazados en sistemas compuestos modificando
las condiciones de frontera del sistema [38]. La relación entre dicho
paradigma y la topología del sistema ha sido explorada en [58] y recientemente
usada para describir las propiedades físicas de sistemas con paredes
móviles [25–28,30]. Sin embargo, a pesar del interés intrínseco que tiene, problemas
básicos como la controlabilidad de sistemas sencillos dentro de este
paradigma no ha sido aún estudiada.
La mayoría de los sistemas cuánticos que aparecen en las aplicaciones para
desarrollar ordenadores cuánticos, tales como las trampas de iones o los circuitos
superconductores, son infinito dimensionales. Mientras tanto, los modelos
usados para describirlos son aproximaciones finito dimensionales [49, 70], lo
que introduce errores en dicha descripción. Es por tanto natural buscar mejores
modelos matemáticos para estos sistemas. Buenos candidatos para estos
modelos pueden construirse a partir de lo que llamamos Circuitos Cuánticos,
una generalización de los grafos cuánticos (esto es, grafos métricos equipados
con un operador diferencial en sus aristas junto con condiciones de contornos
apropiadas que definan una extensión autoadjunta de dicho operador [46,47]).
Por un lado, los Circuitos Cuánticos comparten con los dispositivos físicos la
estructura tipo grafo y la dinámica en ellos está gobernada por operadores
diferenciales (en concreto, consideraremos el operador de Laplace-Beltrami y
Laplacianos magnéticos junto con algunos potenciales que representan campos
magnéticos y eléctricos en los Circuitos Cuánticos). Por otro lado, los Circuitos
Cuánticos son suficientemente sencillos como para encontrar soluciones de la ecuación de evolución numéricamente (o incluso analíticamente). Todo
esto hace interesante considerar la dinámica y la controlabilidad de sistemas
definidos en Circuitos Cuánticos. Algunos ejemplos concretos de Circuitos
Cuánticos pueden encontrarse al final del Capítulo 6, véase la Figura 6.1.
Más aún, los grafos cuánticos pueden verse como un caso concreto de Circuito
Cuántico, por lo que los resultados presentados en esta tesis pueden aplicarse
directamente a ellos. Y, además de el interés matemático de estudiar la
dinámica de sistemas definidos en grafos cuánticos, creemos que éstos pueden
ser utilizados para modelizar circuitos superconductores. Más concretamente,
es sabido que las junturas de Josephson (que son un dispositivo fundamental
en los circuitos superconductores, cf. [22, 70, 71]) pueden modelizarse usando
condiciones de frontera [48,68]. Nótese que los circuitos superconductores son
una de las prometedoras nuevas tecnologías en el desarrollo de ordenadores
cuánticos.
Para mostrar la viabilidad del método de Control Cuántico en la Frontera,
definimos una familia de sistemas de control cuántico en la frontera sobre
Circuitos Cuánticos. Para ello, utilizamos la caracterización de las extensiones
autoadjuntas del operador de Laplace-Beltrami desarrolladas en [37], que
parametriza las extensiones autoadjuntas en función de operadores unitarios
actuando en el espacio de datos en la frontera. Estos operadores unitarios son
adecuados para representar los grupos de simetría de la variedad subyacente
[36], hecho que fue usado en [8] para caracterizar las condiciones de frontera
compatibles con las estructuras de grafo que consideramos aquí.
Antes de poder abordar el problema de controlabilidad, es necesario afrontar
el problema de existencia de soluciones de la ecuación de Schrödinger con
condiciones de contorno dependientes del tiempo, problema que tiene su propia
importancia. Situaciones similares a la que presentaremos han sido consideradas
anteriormente para algunos sistemas cuánticos concretos [21, 23, 58].
La dependencia temporal del dominio del Hamiltoniano del sistema añade
dificultades extra a las habituales complicaciones que surgen de la naturaleza
discontinua de los operadores no acotados, lo que compromete la existencia
de soluciones para la ecuación de Schrödinger. En este sentido, los resultados
más generales de que disponemos son debidos a J. Kisyński [44]. Basándose
en una idea aproximativa de K. Yosida [72], Kisyński propone condiciones suficientes
para la existencia de operadores de green para problemas de Cauchy
abstractos en espacios de Banach, incluyendo el caso en el que los operadores
que definen la evolución tienen dominios dependientes del tiempo. Estos
resultados pueden ser aplicados al caso concreto de la ecuación de Schrödinger,
tal y como hace el propio Kisyński, cf. [44, Sec. 8]. Más concretamente,
proporciona condiciones suficientes para la existencia de propagadores unitarios para sistemas cuánticos cuyos Hamiltonianos tienen dominio dependiente
del tiempo pero no así las formas sesquilineales asociadas a éstos. Este caso
también fue estudiado por B. Simon [65], cuyo enfoque se basa en el mismo
método aproximativo de Yosida, pero abordado el problema de manera
ligeramente distinta.
Para simplificar la exposición, en lugar de aplicar los resultados más generales
de Kisyński directamente a nuestros sistemas cuánticos de control en
la frontera, introduciremos una familia de sistemas de control estándar relacionada
que llamamos sistemas de inducción cuántica, cuyos Hamiltonianos
tendrán dominio de forma constante. La relación entre estas dos familias de
sistemas es usada frecuentemente en la discusión, lo que nos permite probar
resultados primero para los sistemas de inducción cuántico y transferirlos a
los sistemas de control en la frontera. Siguiendo esta estrategia, usaremos los
resultados de Simon y de Kisyński para Hamiltonianos con dominio de forma
constante para proporcionar condiciones suficientes para que ambos sistemas
tengan dinámica bien definida.
En el estudio de las propiedades dinámicas de los Hamiltonianos dependientes
del tiempo con dominio de forma constante, la escala de espacios de
Hilbert asociada a el Hamiltoniano, H+ ⊂ H ⊂ H−, aparece como una herramienta
básica tanto en el desarrollo de Simon como en el de Kisyński. A
través de esta tesis, usamos nociones como la existencia de dinámica o la controlabilidad
tanto en H como en H−; por ello, usaremos los adjetivos fuerte
y débil para referirnos a las nociones en H y en H− respectivamente.
Una vez resuelto el problema de la existencia de soluciones de la ecuación
de Schrödinger, podremos abordar el problema de controlabilidad. Usaremos
como una herramienta útil para este fin el Teorema 4.3.4, un resultado de
estabilidad que generaliza los resultados de A.D. Sloan [66] constituyendo uno
de los resultados originales principales expuestos e esta tesis. Que sepamos,
esta generalización es el resultado de estabilidad más general en el contexto
de la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo. La demostración de
este teorema se basa en las técnicas usadas por Simon y, en la prueba de
dicho resultado, obtenemos una ligera generalización de algunos resultados
en [65] (cf. Lemma 4.3.7). La importancia de este resultado de estabilidad
no reside tan solo en su papel a la hora de demostrar la controlabilidad de
los sistemas de control bajo estudio permitiendo demostrar la viabilidad del
Control Cuántico en la Frontera; tiene consecuencias de mayor alcance para
la Teoría de Control Cuántico ya que permite obtener cotas a priori del error
cometido al controlar el estado del sistema.
Demostramos la controlabilidad aproximada de los sistemas de inducción
cuántica basándonos en un resultado de T. Chambrion et al. in [18], donde estudian la controlabilidad de una clase de sistemas de control cuántico
bilineales con controles constates a trozos. La estructura que tienen los sistemas
de inducción cuántica es similar, pero no exactamente igual, a la de
los problemas estudiados por Chambrion et al. Por ello, definimos un sistema
auxiliar para el cual el teorema de Chambrion et al. asegura controlabilidad
aproximada y después, usando el resultado de estabilidad, mostramos que
esta controlabilidad aproximada se extiende al sistema de inducción cuántica
original. Si embargo, la clase de controles considerada por Chambrion
et al. no puede ser llevada automáticamente a sistemas con Hamiltonianos
cuyos dominios dependen del tiempo, ya que las soluciones de la ecuación de
Schrödinger (en el sentido fuerte) podrían no existir. Por lo tanto, la controlabilidad
aproximada obtenida para los sistemas de inducción cuántica usando
este procedimiento es en el sentido débil (es decir, en H−). Usando de nuevo
el resultado de estabilidad podemos demostrar controlabilidad aproximada en
sentido fuerte para los sistemas de inducción cuántica con controles suaves,
y ésta puede ser transferida a los sistemas de control cuántico en la frontera
usando la relación entre ambos.
Estos resultados de controlabilidad, demostrados en el Capítulo 7, junto
con los resultados de estabilidad en el Capítulo 4 constituye las contribuciones
originales más relevantes de esta tesis.
Por último, remarcamos el hecho de que la caracterización de las extensiones
autoadjuntas que usamos aquí puede ser aplicada a otros operadores
diferenciales como el operador de Dirac [35, 40, 57], por lo que los resultados
presentados en esta tesis podrían extenderse a tales casos. Más aún, dicha caractrerización
está adaptada al cálculo numérico [39, 51], por lo que podrían
desarrollarse algoritmos con aplicaciones al control óptimo de éstos sistemas
a partir de los resultados aquí mostrados.This work was partially supported by the “Ministerio de Economía, Industria
y Competitividad” research project MTM2017-84098-P, the QUITEMAD project
P2018/TCS-4342 funded by “Comunidad Autónoma de Madrid” and by “Universidad
Carlos III de Madrid” through its Ph.D. program grant PIPF UC3M 01-1819
and through its mobility grant in 2020.Programa de Doctorado en Ingeniería Matemática por la Universidad Carlos III de Madrid.Presidente: Fernando Lledó Macau.- Secretario: Paolo Facchi.- Vocal: Thomas Chambrio
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