Utilizando redes neurais informadas pela física para encontrar hamiltonianos efetivos em sistemas quânticos
| dc.contributor.advisor1 | Villas-Boas, Celso Jorge | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/5700887540085418 | |
| dc.contributor.author | Silva, Rodrigo Pereira | |
| dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/1701487073029388 | |
| dc.contributor.referee | Dias, Rodrigo Alves | |
| dc.contributor.referee | Richard, Victor Lopez | |
| dc.contributor.refereeLattes | http://lattes.cnpq.br/3479575257091790 | |
| dc.contributor.refereeLattes | http://lattes.cnpq.br/4492188799583104 | |
| dc.date.accessioned | 2026-04-24T12:14:05Z | |
| dc.date.issued | 2026-03-02 | |
| dc.description.abstract | Effective Hamiltonians are a cornerstone of quantum optics and cavity quantum electro-dynamics (QED). By identifying and discarding terms that do not contribute significantly to the overall dynamics in a given parameter regime, they provide tractable models that still reproduce the experimentally relevant dynamics. In light-matter systems, a canonical example is the reduction of the quantum Rabi Hamiltonian (RH) to the effective Jaynes-Cummings Hamiltonian (JCH) under the rotating-wave approximation (RWA), where fast-oscillating terms are discarded from the system's Hamiltonian due to little contribution to dynamics. While effective-model selection is often justified analytically, as in the RWA, this approach requires a deep understanding of the physical system at hand, and is often heavily handmade. Hence, the central problem addressed in this dissertation is whether one can infer an effective Hamiltonian directly from limited dynamical data and physics a priori knowledge shared by many common physical systems. To this end, we leverage an inverse physics-informed neural network (PINN) framework to reproduce the passage of the RH to the JCH. In this setting, the complex-valued vector state of the composed atom-cavity system is represented by two real-valued neural networks (for the real and imaginary components) trained using a loss function with terms that (i) enforces Schrödinger dynamics through an ordinary differential equation (ODE) residual evaluated at fixed time instants, (ii) matches data observation from experimentally accessible expectation values (photon number and excited-state population), and (iii) imposes physical constraints through initial-condition and normalization penalties. Unknown atom-cavity coupling parameters present in the Hamiltonian are treated as trainable neural network parameters and learned jointly with the state trajectory. After validating the approach in a matched-model baseline (simulating train data with JCH and using the Jaynes-Cummings ODE residual) across distinct cavity initial states, we tackle effective-model identification by training with a split Rabi interaction containing separate rotating and counter-rotating couplings. Results show that in a parameter regime where RWA is feasible, training consistently recovers the Jaynes-Cummings coupling while suppressing the counter-rotating coupling toward zero, both when data are generated by full Rabi dynamics and when Jaynes-Cummings data are fit using the more expressive RH. We further show that the chosen non-negativity parameterization of the learned coupling parameter (absolute value versus softplus functions) influences how readily weakly identifiable terms collapse toward zero. These results support inverse PINNs as a practical workflow for testing whether candidate terms in full Hamiltonians are warranted by data and for extracting effective Hamiltonians from partial expectation-value measurements. | eng |
| dc.description.resumo | Hamiltonianos efetivos são um pilar central da óptica quântica e da eletrodinâmica quântica em cavidades. Ao identificar e descartar termos que não contribuem de forma significativa para a dinâmica global em um determinado regime de parâmetros, eles fornecem modelos tratáveis que ainda reproduzem a dinâmica experimentalmente relevante. Em sistemas de interação luz-matéria, um exemplo canônico é a redução da hamiltoniana de Rabi (HR) à hamiltoniana de Jaynes-Cummings (HJC) sob a aproximação de onda girante (AOG), na qual termos que oscilam rapidamente são descartados da hamiltoniana do sistema devido à sua contribuição desprezível para a dinâmica. Embora a seleção de modelos efetivos seja frequentemente obtida de forma analítica, como no caso da AOG, essa abordagem exige um profundo entendimento do sistema físico em questão e, em geral, envolve um elevado grau de intervenção manual. Assim, o problema central abordado nesta dissertação é investigar a possibilidade de inferir uma hamiltoniana efetiva diretamente a partir de dados dinâmicos limitados e de conhecimento físico a priori compartilhado por muitos sistemas físicos comuns. Com esse objetivo, empregamos um arcabouço de redes neurais informadas pela física para reproduzir a passagem da HR para a HJC. Nesse contexto, o vetor de estado de valores complexos do sistema composto átomo-cavidade é representado por duas redes neurais de valores reais (correspondentes às partes real e imaginária), treinadas por meio de uma função de perda que: (i) impõe a dinâmica de Schrödinger por meio de um resíduo de equação diferencial ordinária (EDO) avaliado em instantes de tempo fixos; (ii) ajusta observações de dados provenientes de valores esperados experimentalmente acessíveis (número de fótons e população do estado excitado); e (iii) impõe restrições físicas por meio de penalidades associadas às condições iniciais e à normalização do estado. Os parâmetros desconhecidos de acoplamento átomo-cavidade presentes no Hamiltoniano são tratados como parâmetros treináveis da rede neural e aprendidos conjuntamente com a trajetória do estado. Após validar a abordagem em um cenário de modelo compatível (dados simulados com a HJC e uso do resíduo da EDO de Jaynes-Cummings) para diferentes estados iniciais da cavidade, abordamos a identificação de modelos efetivos treinando a rede com uma interação de Rabi decomposta, contendo acoplamentos distintos para os termos girantes e contra-girantes. Os resultados mostram que, em um regime de parâmetros no qual a AOG é válida, o treinamento recupera consistentemente o acoplamento de Jaynes-Cummings enquanto suprime o acoplamento contra-girante, tanto quando os dados são gerados pela dinâmica completa de Rabi quanto quando dados de Jaynes-Cummings são ajustados utilizando a HR mais expressiva. Mostramos ainda que a parametrização escolhida para impor a não negatividade do parâmetro de acoplamento aprendido (função valor absoluto versus função softplus) influencia a rapidez com que termos fracamente identificáveis colapsam para zero. Esses resultados sustentam o uso de PINNs inversas como uma abordagem prática para testar se termos candidatos em hamiltonianas completas são de fato suportados pelos dados e para extrair hamiltonianas efetivas a partir de medições parciais de valores esperados. | por |
| dc.description.sponsorship | Não recebi financiamento | |
| dc.identifier.citation | SILVA, Rodrigo Pereira. Utilizando redes neurais informadas pela física para encontrar hamiltonianos efetivos em sistemas quânticos. 2026. Dissertação (Mestrado em Física) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/23975. | por |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/20.500.14289/23975 | |
| dc.language.iso | eng | eng |
| dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | |
| dc.publisher.address | Campus São Carlos | |
| dc.publisher.initials | UFSCar | |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Física - PPGF | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ | |
| dc.subject | Redes neurais informadas pela física | por |
| dc.subject | Problemas inversos | por |
| dc.subject | Aprendizado de hamiltonianas | por |
| dc.subject | Dinâmica quântica | por |
| dc.subject | Modelo de Rabi | por |
| dc.subject | Modelo de Jaynes-Cummings | por |
| dc.subject | Hamiltonaianas efetivas | por |
| dc.subject | Physics-informed neural networks | eng |
| dc.subject | Inverse problems | eng |
| dc.subject | Hamiltonian learning | eng |
| dc.subject | Quantum dynamics | eng |
| dc.subject | Rabi model | eng |
| dc.subject | Jaynes-Cummings model | eng |
| dc.subject | Effective Hamiltonians | eng |
| dc.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA GERAL::FISICA CLASSICA E FISICA QUANTICA; MECANICA E CAMPOS | |
| dc.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA | |
| dc.subject.ods | 9. Indústria, Inovação e Infraestrutura | |
| dc.title | Utilizando redes neurais informadas pela física para encontrar hamiltonianos efetivos em sistemas quânticos | por |
| dc.title.alternative | Employing physics-informed neural networks for finding effective hamiltonians in quantum systems | eng |
| dc.type | Dissertação |
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