Tesis Doctorado
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Item Waveguide quantum electrodynamics with non-negligible delay between emitters.(Universidad de Concepción, 2026) Vera Paz, Nicolás Octavio; Solano Palma, Pablo AndrésCon justa razón, la aproximación de Markov ha sido clave para el estudio de la física de muchos cuerpos, ya que provee un marco conveniente para describir los sistemas cuánticos abiertos a través de una ecuación maestra de Lindblad que permite elucidar dinámica del sistema dejando de lado la complejidad del ambiente. Esta aproximación puede volver errónea en el contexto guías de onda, donde se considera un sistema de muchos cuerpos acoplados a un ambiente común que permite una interacción entre emisores lejanos. Si estos emisores están lo suficientemente lejanos (con respecto a la longitud de coherencia del campo emitido por uno de estos), entonces la aproximación de Markov falla, al no tomar en cuenta el retraso en la interacción de ambos emisores. Este retraso, que surge de la velocidad finita de propagación en la guía de onda, es justamente el efecto de la memoria en el sistema; el estado del sistema en el futuro depende de su estado en el pasado. En esta tesis exploramos cómo es la dinámica de un conjunto de sistemas atómicos de dos niveles acoplados a una guía de onda, donde el tiempo de propagación de la luz entre un átomo y otro no es despreciable. Homologamos fenómenos tales como la sub y superradiancia, típicamente estudiados bajo ambientes sin memoria, al régimen no-Markoviano. En el proceso encontramos leyes de potencia y comportamientos críticos que invitan a pensar en analogías con sistemas pertenecientes a la física estadística. Hacia el final, exploramos la simulación de un sistema experimental para la implementación de una condición fundamental para el estudio de efectos colectivos: la condición de Bragg.Item Emergence, engineering and characterization of nonclassical states of light.(Universidad de Concepción, 2026) Uria Valencia, Mariano; Solano Palma, Pablo Andrés; Hermann Avigliano, Carla AndreaLos estados no-clásicos de la luz constituyen un recuros fundamental para las tecnologías cuánticas. Entender como emergen, como pueden ser generados de manera controlada y como pueden ser caracterizados de manera eficiente es aún un desafío central en el área de la óptica cuántica de variable contínua. Esta tesis trata estos aspectos dentro de un marco teórico unificado. Primeramente estudiamos la emergencia de la no-clasicalidad inducida por un Hamiltoniano no lineal en el número de fotones. Considerando la evolución de estados coherentes bajo esta interacción no-lineal, demostramos la aparición universal de características no Gausianas y caracterizamos los estados cuánticos resultantes a través de medidas de no-clasicalidad complementarias, incluyendo la negatividad de la función de Wigner y la información cuántica de Fisher. A continuación, nos enfocamos en la generación controlada de estados noclásicos por medio de un Hamiltoniano tipo Kerr forzado por un campo coherente. En este contexto, evidenciamos la generación determinista de los photon added coherent states. Para caracterizar este proceso de caracterización, introducimos la cantidad de número de fotones remanente, la cual identifica la formación de estos estados durante la evolución y a la vez revela sus características no clásicas. Finalmente, proponemos protocolos de tomografía de estados cuánticos para campos propagantes basados en metasuperficies cuánticas o espejos cuánticos, interfaces ópticas cuya reflectividad está controlada por el estado cuántico de un átomo auxiliar. Al explotar la respuesta óptica condicional de estas interfaces luz–materia, los esquemas propuestos permiten reconstruir funciones de onda y distribuciones de cuasiprobabilidad en el espacio de fases mediante mediciones indirectas sobre un sistema auxiliar de variables discretas. Estos protocolos proporcionan alternativas experimentalmente viables a la tomografía homodina convencional y, a la vez, presentan robustez frente a fluctuaciones de fase óptica. En conjunto, esta tesis establece un enfoque unificado para el estudio de la emergencia, generación y caracterización de estados no clásicos de la luz, combinando la dinámica cuántica no-lineal con nuevos métodos tomográficos para sistemas cuánticos de variables continuas.Item Artificial neural networks for the study of physical systems in quantum information.(Universidad de Concepción, 2026) González Guerra, Antonio Segundo; Sepúlveda Gómez, Esteban FernandoEl crecimiento exponencial del espacio de Hilbert con el número de constituyentes cuánticos hace que numerosas tareas de información cuántica sean intratables mediante métodos clásicos exactos, lo que motiva el desarrollo de aproximaciones escalables. Esta tesis presenta dos enfoques de physics-informed deep learning que abordan este tipo de problemas incorporando los principios físicos subyacentes directamente en la arquitectura de la red neuronal y en la función objetivo de entrenamiento, garantizando que las soluciones aprendidas permanezcan consistentes con las leyes de la mecánica cuántica. El primer enfoque estudia la dinámica de sistemas cuánticos cerrados gobernados por Hamiltonianos dependientes del tiempo, cuya evolución está descrita por la ecuación de von Neumann. En este contexto, el operador de evolución temporal se expresa mediante expansiones integrales infinitas. A diferencia del caso independiente del tiempo, donde la solución admite una forma exponencial simple, obtener una expresión análoga requiere la introducción del operador de ordenamiento temporal. En consecuencia, cuando el Hamiltoniano no conmuta consigo mismo en distintos instantes de tiempo, la complejidad matemática del problema aumenta considerablemente. El método propuesto reduce el costo computacional asociado a la simulación de estas dinámicas. A partir del operador de evolución temporal conocido únicamente en un conjunto disperso de instantes de tiempo, una Physics-Informed Neural Network interpola su evolución sobre todo el dominio temporal sin requerir conocimiento explícito del Hamiltoniano. En su lugar, el modelo incorpora la unitariedad como una restricción física y, para sistemas de mayor tamaño, predice un Hamiltoniano efectivo cuya evolución se propaga mediante integradores que preservan la estructura del sistema. Para sistemas de entre 2 y 8 qubits, el enfoque alcanza fidelidades promedio cercanas a 0.99, reproduce con precisión la dinámica incluso bajo un muestreo temporal poco denso y logra acelerar la inferencia aproximadamente en un orden de magnitud con respecto a un método de interpolación geodésica. El segundo enfoque aborda el Quantum Marginal Problem, cuyo objetivo es reconstruir un estado cuántico global a partir de un conjunto dado de matrices densidad reducidas (marginales cuánticos), garantizando simultáneamente que todas ellas sean mutuamente compatibles. Este problema se vuelve cada vez más desafiante a medida que aumenta el tamaño del sistema debido al crecimiento exponencial del espacio de Hilbert y a las complejas restricciones de compatibilidad entre las marginales. Mediante la combinación de un convolutional denoising autoencoder con el Marginal Imposition Operator, y representando las matrices densidad como imágenes de dos canales junto con una función de pérdida que impone Hermiticidad, positividad y normalización, el modelo reconstruye estados globales físicamente válidos para sistemas de entre 3 y 8 qubits. Un esquema híbrido de reconstrucción recupera, en numerosos casos, estados cuyas marginales coinciden con las marginales objetivo con fidelidad perfecta, mientras que transfer learning permite extender el modelo a distintos tamaños de sistema con un reentrenamiento mínimo. Una vez entrenado, el enfoque realiza inferencias sustancialmente más rápidas que los solucionadores de programación semidefinida más avanzados, logrando además reconstruir estados en regímenes donde dichos métodos se vuelven computacionalmente impracticables. En conjunto, estos resultados demuestran que la incorporación explícita de principios físicos dentro del proceso de aprendizaje permite que el deep learning actúe no como un reemplazo del modelamiento físico, sino como una extensión natural de éste. Al combinar aprendizaje basado en datos con la estructura matemática de la mecánica cuántica, los enfoques propuestos permiten abordar de manera eficiente problemas cuyo tratamiento clásico exacto resulta computacionalmente prohibitivo.Item Evolutionary constraints on physical parameters and magnetic activity in double periodic variables (DPVs).(Universidad de Concepción, 2026) Calderón, Paul Adrian; Mennickent Cid, Ronald Enrique; Schleicher, DominikLas Variables Periódicas Dobles (DPV) constituyen una clase de sistemas binarios interactuantes, cuya variabilidad de ciclo largo sigue siendo uno de los fenómenos más intrigantes de la astrofísica estelar. Esta tesis doctoral presenta una investigación sobre la naturaleza de las DVP mediante un enfoque dual: la determinación precisa de parámetros fundamentales mediante análisis fotométrico y espectroscópico, y la reconstrucción de su historia evolutiva mediante modelado numérico avanzado. Para delimitar las propiedades físicas de estos sistemas, realizamos un estudio detallado de múltiples longitudes de onda de V1001 Cen. Mediante el empleo de los modelos de síntesis de curvas de luz de Djurašević y datos espectroscópicos del espectrómetro CHIRON, derivamos las dimensiones de los componentes estelares y las propiedades del disco de acreción circumbinario. El desenredo espectroscópico mediante la técnica Gonzalez Levato permitió una estimación precisa de las temperaturas efectivas (Td = 8, 750 ± 250K; Tg = 20, 000 ± 2, 000K) y las semiamplitudes de la velocidad radial. Nuestros resultados identifican a V1001 Cen como un sistema en su segunda fase de transferencia de masa (edad ∼ 190 Myr) con una razón de masas de q ≈ 0.15, donde la estrella ganadora se rejuvenece significativamente por la acreción de material. Para complementar este marco observacional, utilizamos el código MESA (Módulos para Experimentos en Astrofísica Estelar) para explorar las vías evolutivas y la viabilidad física de los mecanismos de dinamo magnéticos. Centrándonos en el sistema HD170582, implementamos el formalismo de Tayler-Spruit para modelar el transporte de momento angular interno y la generación del campo magnético. Mediante una minimización multiparamétrica de χ2, se reprodujo con éxito el estado actual del sistema, sugiriendo masas iniciales de Md,i = 6.0M⊙ y Mg,i = 5.0M⊙ en un régimen casi conservativo ( ˙M ≈ 9.6 × 10−7M⊙yr−1). Una contribución clave de esta investigación es el análisis de la influencia del parámetro de longitud de mezcla (αMLT) en la activación de la dinamo estelar dentro de la envoltura del donante. Mediante la construcción de diagramas de diagnóstico y la variación de αMLT de 0.5 a 4.0, demostramos una fuerte correlación entre la eficiencia convectiva y el índice de ley de potencia de la dinamo (α). Nuestros hallazgos revelan que, para mantener el índice de la dinamo dentro del rango teóricamente consistente (0.33 ≤ α ≤ 0.83) y reproducir con éxito los ciclos largos observados, la longitud de mezcla debe limitarse a αMLT ≲ 2.0. Los valores que superan este umbral resultan en velocidades convectivas no físicas que inhiben el mecanismo de la dinamo de Schleicher y Mennickent. Este trabajo proporciona un marco para comprender la interacción entre la transferencia de masa, la convección estelar y el magnetismo en la evolución de sistemas binarios de interacción de masa intermedia.Item Hong-ou-mandel interference in multiport photonic devices.(Universidad de Concepción, 2026) Lira Tacca, Letícia; Walborn, Stephen PatrickLa interferencia Hong–Ou–Mandel (HOM) es un efecto cuántico fundamental de dos fotones, central en el procesamiento de información cuántica fotónica, con aplicaciones que abarcan desde la computación cuántica hasta las comunicaciones seguras. Esta tesis extiende la interferencia HOM más allá de su formulación estándar de dos modos hacia dispositivos fotónicos multi-puerto, que constituyen una plataforma escalable para fenómenos de interferencia cuántica complejos. Se revisan los fundamentos teóricos de la interferencia HOM y se analiza su generalización a arquitecturas interferométricas multi-puerto, donde emergen efectos de interferencia de mayor dimensionalidad. Se estudia el papel de la indistinguibilidad de los fotones y el impacto de las imperfecciones experimentales en la visibilidad de la interferencia. Una contribución experimental central es la demostración de la caracterización del desfase temporal entre núcleos (inter-core skew) con precisión de sub-picosegundos en fibras multicore mediante interferencia HOM. Este resultado establece la interferencia HOM como una herramienta metrológica de alta resolución para cuantificar retardos temporales, con relevancia directa en la optimización de sistemas fotónicos multi-puerto y redes cuánticas basadas en fibra. Finalmente, se abordan aplicaciones en comunicaciones cuánticas, mediante una breve revisión de la distribución de claves cuánticas independiente de dispositivos (DIQKD), incluyendo avances experimentales, implementaciones basadas en fuentes SPDC y sus limitaciones actuales. También se destacan las conexiones con MDI-QKD, subrayando el papel de la interferencia de dos fotones en protocolos de comunicación cuántica segura. Esta tesis establece un vínculo entre la interferencia cuántica fundamental, las plataformas fotónicas escalables y las comunicaciones cuánticas, posicionando la interferencia HOM en sistemas multi-puerto como un recurso clave para futuras tecnologías cuánticas.Item Resonant absorption of the kink mode in a coronal plasma slab via 2D hybrid-PIC simulations: multifluid and kinetic descriptions.(Universidad de Concepción, 2026) Carril Pardo, Hugo Alexis; Navarro Maldonado, Roberto Elías; Terradas Calafell, JaumeWe investigate the resonant absorption kink oscillations in a plasma slab with linearly inhomogeneous particle densities. Different thicknesses of the layers and angles of the background magnetic field to the plane of the slab are studied via 2D−3V PIChybrid simulations. We identify the resonant absorption of the large-scale mode in the inhomogeneous layers and compare its damping rate with a single fluid, linear MHD estimation. Scales in the order of the proton inertial length are achieved in most of the simulated cases, particularly in the case of thinner layers and for moderately magnetized slabs. Quasi-perpendicular fluctuations consistent with Kinetic Alfv´en Waves (KAWs) are generated at the layers only when resonant absorption occurs. The KAWs interact non-linearly and generate a parallel electric field, which subsequently produces density structures and accelerates protons. This causes strong heating and flat-topped distribution. We derive an analytical estimate for this parallel field that reproduces the most relevant signals of the dispersion relations during and after resonant absorption. The transverse particle dynamics are driven by the cross-field drift, causing the transverse temperature to oscillate and grow exponentially due to small-scale fluctuations. Therefore, the proton distribution functions are largely shaped non-resonantly by the KAW activity.Item Problemas no convexos en control óptimo y optimización.(Universidad de Concepción, 2026) Thiele Guerrero, Filip Agustín; Flores Bazán, FabiánEsta tesis se centra en el estudio de problemas no convexos a través de dos enfoques diferentes. En primer lugar, centrándose en las condiciones de optimalidad para problemas con conjuntos de restricciones geométricas no convexas particulares, sin suponer la convexidad de las funciones; y, en segundo lugar, considerando una familia especial de funciones cuasiconvexas. Desarrollamos descripciones algebraicas del cono normal límite para distintos tipos de conjuntos, incluida la unión de dos poliedros y una superficie cuadrática única o la unión de dos superficies cuadráticas. A continuación, estas descripciones se utilizan para estudiar las condiciones de optimalidad M-estacionarias, lo que da lugar a resultados sobre la unicidad local y las propiedades de estabilidad del conjunto de soluciones. Nuestros hallazgos sobre las condiciones de optimalidad son nuevos y pueden considerarse extensiones de resultados conocidos que emplean condiciones KKT en problemas sin restricciones geométricas. Además, presentamos un ejemplo de un problema de optimización, al que se aplican nuestros resultados, en el que las condiciones M-estacionarias identifican correctamente al minimizador, mientras que otros enfoques fallan Posteriormente, ampliamos ciertos resultados conocidos del análisis convexo a las funciones cuasiconvexas, demostrando que, al igual que con las funciones convexas, algunos comportamientos globales pueden entenderse examinando el comportamiento en puntos individuales. Por último, nos centramos en una clase particular de funciones cuasiconvexas para demostrar la existencia de soluciones y la semicontinuidad inferior de la función de valor, complementando o generalizando así los resultados conocidos en el caso convexo.Item Modelos shallow water para la propagación de tsunamis, el impacto sobre la vegetación costera y transporte de sedimento.(Universidad de Concepción, 2026) Moya Abuhadba, Jorge Johnny; Bürger, Raimund KlausThis thesis presents the development of advanced finite volume methods for the simulation of complex free-surface geophysical flows governed by shallow-water-type systems. Although the physical problems studied - tsunami propagation through coastal forests and sediment transport with bed evolution - belong to diferent environmental contexts, they share a common mathematical structure based on depth-averaged balance laws involving non-conservative products. The central objective of this research is to extend the classical Saint-Venant framework to include additional physical processes while preserving the well-balanced and conservative properties required for accurate and stable numerical simulation. The first part introduces a one-dimensional multilayer, non-hydrostatic model for tsunami propagation and its interaction with coastal vegetation. The formulation incorporates drag, inertia, and porosity efects of tree canopies in a vertically resolved manner, which enhances the representation of forest-induced attenuation. The governing equations are solved using a projection method for non-hydrostatic pressure coupled with polynomial-viscosity-matrix finite volume schemes. The resulting approach preserves the well-balanced property and remains robust under dry - wet transitions. The second part focuses on morphodynamic processes through a non-hydrostatic Saint- Venant - Exner-type model that couples hydrodynamics with sediment transport, erosion, and deposition. The formulation includes density variations, gravitational efects, and sediment exchange in non-equilibrium between the fluid and bed layers. Novel well-balanced finite volume schemes, the first is a physically motivated correction of the numerical difusion term for the Rusanov and Harten-Lax-van Leer (HLL), the second one is a new polynomial-viscosity-matrixbased (PVM) scheme, denoted "PVM-2I", that modi es the numerical approximation of the bed evolution equation according to its related characteristic speed. These schemes are developed to capture steady states accurately and prevent spurious erosion in numerical simulations. The third part extends the multilayer non-hydrostatic framework to two-dimensional tsunami modeling. The model describes vertical exchanges, inter-layer viscosity, and vegetation drag in a fully coupled system. The numerical implementation combines path-conservative finite volume methods with semi-implicit treatments of the gravitational source terms, which improve computational eficiency while maintaining stability. Together, these contributions provide a unified computational framework for multilayer, multiphase, non-hydrostatic shallow-water systems. The models developed in this work are physically consistent, numerically stable, and computationally efficient, offering new tools for the study of hydrodynamic and morphodynamic processes in coastal and riverine environments, with applications in environmental engineering and natural hazard mitigation.Item The cosmic dust experiment CODE: Development of a single nanoparticle non-destructive mass spectrometer for astrochemical studies.(Universidad de Concepción, 2025) Martínez Sepúlveda, Nicolás Antonio; Bovino, StefanoEsta tesis presenta el diseño e implementación de un espectrómetro de masa no destructivo, con un sistema de injeccion triboelectrico para el estudio de propiedades físico-químicas en la superficie de nanoparticulas de silica con un enfoque astroquímico. Se presenta como introducción conceptos claves para entender la motivación y contexto astroquímico del experimento, enfocándonos a procesos asociados al polvo interestelar, para pasar a las bases teoricas de manipulacion de iones que embarca la base técnica del funcionamiento del experimento CODE. Luego se presenta el experimento, detallando los distintos sistemas que lo conforman (trampa de iones, sistema optico, cámara de vació, sistema de injeccion,etc) y el trabajo realizado tanto experimental como simulaciones y teórico para llegar al estado en el que se encuentran actualmente. Luego se continua con las pruebas de funcionamiento que le dan validez experimental tanto a cada sistema por separado como a el experimento en su conjunto. Finalmente se presenta el trabajo futuro del experimento para poder avanzar en su capacidad de medir procesos físico químicos en la superficie de nanopartículas.Item Lorentz and diffeomorphism violation in efective theories of gravity and matter.(Universidad de Concepción, 2025) Riquelme Durán, César Emanuel; Reyes Martínez, Carlos Marat; Anabalón Dupuy, Andrés FernandoEn la presente tesis se estudió en profundidad el sector minimal de la extensión del Modelo Estándar Gravitacional (gSME) en un escenario cosmológico, con el objetivo de desvelar las condiciones de compatibilidad entre los campos background y la dinámica de la teoría. Para ello, se analizó el rompimiento explícito y espontáneo de la invariancia bajo difeomorfismos de la Relatividad General dentro del marco de las teorías efectivas. En ambos casos se derivaron las ecuaciones de Friedmann modificadas, así como las configuraciones requeridas por los campos de background para preservar la isotropía y la homogeneidad. En este contexto, se identificaron configuraciones que permiten multiples fases de expansión del universo. Este estudio condujo al desarrollo de un método para tratar las incompatibilidades entre las violaciones explícitas de difeomorfismos y la geometría Riemanniana, basado en el análisis de las isometrías de un sistema gravitacional. Se concluye que las configuraciones de los campos de background son más propensas a determinarse cuanto mayor sea el número de difeomorfismos que actúan como isometrías del sistema en el caso de rompimiento explícito; en cambio, en el caso de rompimiento espontáneo, el campo de background no requiere respetar dichas isometrías para garantizar la compatibilidad. Prueba de la efectividad del método, se logra estudiar violaciones de causalidad en presencia de campos de background de forma consistente.Item Black holes and solitons in string theory and M-theory.(Universidad de Concepción, 2025) Oyarzo Catalán, Marcelo Andrés; Anabalón Dupuy, Andrés Fernando; Oliva Zapata, Julio Eduardo; Trigiante, MarioThis thesis explores the effects of supersymmetry and higher-curvature corrections from superstring theory on black hole and soliton physics in different dimensions. The first order α′−corrections derived from heterotic string theory, up to a field redefinition, lead to Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet theory. We construct the first-order correction of Schwarzschild black holes in arbitrary dimensions. In four dimensions, we show that the corrected backgrounds satisfy the first law of thermodynamics and allow the construction of slowly rotating black holes and accelerating black hole solutions in a perturbative approach. In five dimensions, we consider the α′-corrections to the black string background and the boosted black string. We construct the scalar perturbation of the metric field in the perturbative approach to assess the effect of α′ on the Gregory-Laflamme instability. We found that in the regime of validity of our approach, the instability window enlarges and grows with α′. In the context of the D = 5, N = 2 gauged STU model, we construct supersymmetric solitons, establishing new asymptotically locally AdS5 solutions with nontrivial boundary conditions for the gauge fields and their uplifts to type IIB supergravity. There exists a BPS limit for a specific relation between the boundary values of the gauge fields, leading to 1/8-BPS configurations. We study the phase diagram of this sector of the theory and found that, generally, there are two solitons for a given value of the boundary values of the gauge fields. Finally, we identify the states in supergravity that are dual to certain vacua in the dual field theory in the weak coupling and large N limit, labeled by the boundary conditions on the fields. This is done by computing the Casimir energy in the field theory in the weakly coupled limit and comparing it with the energy of the supergravity solution. The four-dimensional STU model in maximal gauged supergravity is studied for static electric and magnetic black holes with general horizon geometries. Thermodynamic stability analysis reveals unstable electric black holes for temperatures below certain value, including Reissner-Nordström. While magnetic BPS black holes demonstrate quasi stability. We find extremal non-BPS black holes, which are thermodynamically unstable. These results deepen the understanding of the interplay between string-inspired corrections, black hole physics, and supersymmetric stability criteria in different dimensions.Item Symmetries in gravity : from AdS to flat space and back.(Universidad de Concepción, 2025) Figueroa Silva, José Pablo; Detournay, Stéphane; Oliva Zapata, Julio Eduardo; Correa, FranciscoIn this thesis we study symmetries of gravitational theories, focusing in exploiting (nonstandard) relations between asymptotically AdS and flat spacetimes. This allows us to use what is already known in AdS to understand different aspects of flat holography. First, we focus on a three dimensional gravity model arising as the low energy effective action of string theory. This model enjoys T-duality symmetry, inherited from string theory in the form of Buscher rules, which allows us to map solutions of the theory that are asymptotically AdS to other solutions that have vanishing curvature asymptotically. We use this propriety to map AdS boundary conditions to new ones that include asymptotically flat spacetimes. We study the symmetries and conserved charges in both cases: the later leading to a new phase space including the Horne-Horowitz black string, with a surprisingly large algebra of charges. On the other hand, motivated by different physical intuitions and recent results, we explore the limit of the cosmological constant going to infinity in Anti de Sitter spacetime, finding that it captures Carrollian physics. We show how to obtain a Pseudo-Carrollian structure from this limit and find that its algebra of isometries differ from the standard Carroll algebra. We also study (interacting)-scalar field theories in this limit and its relation to recent results in the literature about Carrollian field theories. The realization of this degenerated spacetime as an homogeneous space associated to a group quotient is discussed. Along the same line, and motivated by the physical insights gained through the study of symmetries, the final chapter of this thesis explores the symmetries of five-dimensional black holes solutions to the Einstein equations, whose event horizon is characterized by homogeneous anisotropic spaces, in particular the Nil geometry, which is one of the eight Thurston geometries. We study the near-horizon symmetries and the asymptotic symmetries for boundary conditions including these black hole solutions. We also study its thermodynamics and slowly rotating generalization.Item Numerical methods for variational quantum and quantum-inspired computing.(Universidad de Concepción, 2025) Gidi Chomalí, Jorge Abraham; Delgado Hidalgo, Aldo Patricio; García Ripoll, Juan JoséQuantum computation is a promising approach to solving problems in physics, optimization, and numerical simulation. Quantum algorithms leverage superposition and entanglement in an exponentially large Hilbert space to encode and solve problems that are intractable for classical computers. However, these algorithms require error-corrected quantum hardware, which is not yet available. This thesis explores two alternative quantum-based approaches that promise to achieve better scalability than traditional algorithms in the near-term: Hybrid variational quantum algorithms (VQAs) and fully classical, quantum-inspired algorithms. In the first part, we review and benchmark optimization methods well suited for VQAs, specifically the Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation (SPSA). We introduce complex-variable extensions and improvements to the second-order and quantum natural implementations. Finally, we assess their performance across quantum control, quantum tomography, and the variational quantum eigensolver, providing practical guidelines for common VQA scenarios. In the second part, we apply Matrix Product States (MPS) to solve time-dependent partial differential equations (PDEs). By integrating Hermite Distributed Approximating Functionals (HDAF) into the MPS framework, we develop a novel encoding to efficiently approximate differential operators with exponential precision. We benchmark this approach against traditional schemes for simulating the expansion of a levitated nanoparticle. The quantum-inspired numerical integration schemes deliver large memory savings and adequate runtimes even in presence of moderate chirping.Item Indefinite causal order towards continuous-variable quantum systems.(Universidad de Concepción, 2025) Escandón Monardes, Jorge Ignacio Antonio; Walborn, Stephen PatrickIndefinite causal order has attracted a growing attention during the last decade, with the quantum switch being its most prominent instance. The quantum switch has been implemented in several photonic experiments and has also provided computational advantages in several tasks. However, indefinite causal order on continuous-variable (CV) quantum systems has been barely studied. This thesis suggests that applications of indefinite causal order on CV quantum systems may offer broader advantages than using finite-dimensional quantum systems. We follow an exploratory approach comparing the performance of the quantum switch with high-dimensional and CV quantum systems in some applications to quantum computing and quantum metrology. In particular, we use Complex Hadamard matrices to introduce a generalised family of promise problems, which reduces to the known Fourier and Hadamard promise problems as limiting cases. We show that the quantum switch provides query advantage for both the continuous and discrete cases, and prove that a CV system is necessary for implementing the most general promise problem. In addition, we propose an estimation procedure for d-dimensional unitary transformations using the quantum switch. For d > 2, the unitary transformations close to the identity are estimated saturating the quantum Cram´ er-Rao bound. For d = 2, the estimation of all unitary transformations is also optimal with some prior information. We replace the unitary transformation by an arbitrary quantum channel and show that our procedure encodes the χ matrix of the channel in the output state of the control system. Although indefinite causal order does not offer metrological advantage in our proposal, it is worthy to note that an extension to the CV regime would require an infinite-dimensional control system. This inspires the introduction of the quantum switch with continuous control, which leads to new phenomena such as the accelerando/rallentando effect. We conclude that using CV systems enlarges the number of tasks benefited by indefinite causal order and exhibits new phenomena within the field.Item Calibration strategies for millimeter / submillimeter observation instruments.(Universidad de Concepción, 2025) Basoalto Salazar, Lilian de las Mercedes; Reeves Díaz, Rodrigo AndrésData calibration is a critical process in astronomical observations as it enables the correction of systematic errors and ensures the reliability of measurements. This aspect is particularly crucial in radio-astronomy experiments such as COMAP and LLAMA, which aim to detect faint astronomical signals with high precision. In these projects, both instrumental and observational challenges, including the perturbation of weak signals by the atmosphere and receiving systems, introduce uncertainties that must be understood and mitigated to ensure accurate results. This research focuses on developing calibration strategies for instruments in the millimeter and submillimeter bands, addressing the factors influencing data integrity. The study concentrates on two main components: the COMAP experiment and the LLAMA calibration loads. Within the framework of the LLAMA Project, a Calibration Loads sub-system for the LLAMAradio-telescope was developed and characterized. This ultra-wideband system allows the various single-pixel receivers planned for LLAMA to calibrate their intensity scales in antenna temperature using the Y-factor technique. We have developed a closed-loop temperature control system based on FPGAs, along with ACS control software, which was integrated into the LLAMA middleware to implement thermal monitoring and control for the Calibration Loads. The characterization of the loads included infrared and radiometric measurements performed on both the prototype and the final loads. Infrared measurements demonstrated thermal stability over time, with standard deviations of less than 1°C for all loads. In radiometric measurements, the calculated brightness temperatures exhibited a linear correlation with the physical temperatures evaluated between 40°C and 70°C. Discrepancies between the physical and the brightness temperatures increased with a rise in Tph. For the prototype, in which power was measured with a 93 GHz heterodyne receiver operated alongside an FPGA-based automated system, the percentage difference reached up to 1% in Kelvin scale at 70°C. In the final loads, power was manually determined using a 93 GHz direct detection receiver, the maximum difference was 5% on the Kelvin scale at 70°C, corresponding to one of the large loads. These variations are attributed to the geometric design and thermal properties of the loads. At 70◦C, the stabilization time of the brightness temperature from ambient temperature was 8 minutes for the small load and 17 and 28 minutes for the blue and red large loads, respectively. The loads remained within the allowed error margin of 1%, validating their stability and accuracy as calibration tools. In the context of the COMAP Project, a radiometric and atmospheric study for the OVRO site at COMAP frequencies was executed. The performance of the receiver was evaluated using a series of scans taken on different dates and times. The Y-factor technique was applied to determine the receiver temperature, incorporating spillover and atmospheric emission modeled with the AM radiative transfer model and MERRA-2 atmospheric database. The results showed that TRx remained stable, with 95% of the values falling between 10 and 31 K and a mean of 17.7 K. The system temperature was calculated by adapting the methodology of O’Neil [40], explicitly including the simulated sky temperature from the AM model using the MERRA-2 database. It was observed that Tsys ranged between 28 and 56 K for 95% of the data, showing dependence on PWV and the elevation angle. As expected, conditions of reduced PWV resulted in lower values of Tsys, highlighting the relevance of these factors in the accuracy of the measurements. COMAP’s sensitivity was found to vary between 146 and 260 mK for 95% of the data, with a mean of 203 mK, evaluated at a ∆ν of 2 MHz and a data sampling rate of 20 ms. The temporal stability of the data ranges between 5 and 22 seconds with a mean of 14 seconds, as evaluated through Allan variance, confirming the presence of gain fluctuations in all analyzed files. The aperture efficiency results showed a decrease with increasing frequency, ranging from 0.27 to 0.51 with a mean of 0.38, evaluated at the central frequencies of COMAP. In the observational framework of the COMAP Project, a validation study of the MERRA-2 atmospheric database model was carried out through an atmospheric analysis at the OVRO site on March 25, 2019, at 15:00 GMT. This analysis compared radiometric measurements obtained by the COMAP instrument with atmospheric simulations generated using the AM radiative transfer model based on the MERRA-2 database for the specific date and time. We determined a PWV content of 5.753 mm for that moment, calculated through vertical integration of the layered model provided by the MERRA-2 database. This value was retrieved by executing the AM radiative transfer model using the same dataset with an error of less than 1%. Additionally, we conducted a radiometric study for OVRO on March 25, 2019, between 14:18 and 14:26 UTC. We analyzed the COMAP Level-1 long skydip power data recorded at elevation angles between 30◦ and 86.5◦ during this period and estimated its atmospheric brightness temperature at different elevation angles. We compared the derived radiometric temperature with simulations from the AM radiative transfer software, based on the MERRA-2 atmospheric database model, and found strong consistency. During the data processing, we observed an excess temperature when the elevation angle decreased, which could be attributed to spillover effects. This excess temperature ranged between approximately 6 K and 8 K at an azimuthal angle of-30◦. As a key scientific outcome of this atmospheric study at the OVRO site, a zenith opacity spectrum was obtained by fitting brightness temperature data across the entire COMAP frequency range, revealing excellent agreement with simulations, with a percent error of only 4%. The same procedure was applied to a more restricted subset of skydip power data, spanning elevation angles between 40◦ and 60◦ within the same evaluated file. The percent error between the calculated and simulated zenith atmospheric opacity is only 4.4%, confirming that short skydips can effectively characterize atmospheric contributions.Item High-dimensional decoy-state quantum key distribution over 1.3 km of installed optical fiber.(Universidad de Concepción, 2025) Sawada, Kei Braz; Moreira Lima, Gustavo de AquinoHD-QKD(high-dimensional quantum key distribution) is an alternative to two-dimensional QKD with advantages such as higher data transmission per pulse [54] and noise tolerance [13, 66]. It has been shown that MCFs (multicore fibers) are a viable platform for performing HD-QKD through phase encoding across modes of the same fiber [10]. MCFs have also gathered attention due to their increased data transmission rates and are likely to become part of classical telecom infrastructure in the future [35, 50, 14, 51]. In this thesis we report a proof-of-concept decoy-state BB84 HD-QKDexperiment with an all-fiber setup using installed 4C-MCFs (four core multicore fibers) in a realistic environment. We introduce the theory of QKDand the motivations for decoy states as well as the security bounds for systems with different dimensions. We describe the experiment in detail, including active phase stabilization, state preparation, MCF-based technologies, channels and the detection system. We report a maximum short-range key rate of 7.8 kbit/s and a maximum secure key transmission distance of 105 km, as well as a short-range stability of over 16 hours. A comparison of our experiment with several others is provided, showing that our results are comparable to other works with similar detection technology. Wealso include two papers where we used our experimental platform for experiments simulating non-Markovian noise and implementing single setting quantum state tomography, showing the flexibility of our setup and potential for further work.Item Downscaling estadístico de variables hidroclimáticas en el centro-sur de Chile: desarrollo y análisis de campos temporales mensuales y diarios en alta resolución.(Universidad de Concepción, 2025) Alvial Vásquez, Francisco Javier; Abarca del Río, RodrigoA pesar de la importancia de la precipitación en el ciclo hidrológico y en diversos sectores como la agricultura, la gestión de recursos hídricos y la adaptación al cambio climático, su variabilidad física, temporal y espacial sigue representando un desafío para su simulación y proyección a escala local (Pham et al., 2021). En Chile, la interacción entre su compleja orografía, la influencia del océano Pacífico, la continentalidad y los vientos predominantes del oeste en el sur configuran un sistema climático único, lo que incrementa el desafío en la representación de esta variable (Sarricolea et al., 2017; Araya-Osses et al., 2020a; Martínez-Retureta et al., 2021). Datos meteorológicos espaciales coherentes con la información observacional son fundamentales para varios campos científicos (Parra et al., 2004; Hijmans et al., 2005; Abatzoglou, 2013; Cannon et al., 2015b; Liu XiaoMang et al., 2017; Sun et al., 2018). Sin embargo, a pesar de la existencia de numerosos conjuntos de datos de precipitación a nivel mundial, la representación de su variabilidad espacial sigue siendo una limitante, especialmente en regiones con topografía compleja. En este contexto, los productos de precipitación en alta resolución (<1 km) son preferidos, ya que permiten capturar con mayor precisión la variabilidad ambiental que puede perderse a menor resolución. Este estudio propone el desarrollo de una metodología integral de downscaling estadístico para estimar y analizar la variabilidad espacio-temporal de la precipitación en la zona centro-sur de Chile, entre las regiones de O’Higgins y Los Ríos. La investigación se organiza en dos en foques principales que corresponden a los productos generados: (a) Generación de un conjunto de datos de precipitación mensual en alta resolución (800 m) para el período 2000-2011. Es te producto se construye mediante la integración de múltiples fuentes de información: modelos numéricos regionales, datos satelitales, productos de reanálisis y observaciones in situ. Las correcciones sistemáticas aplicadas permiten reflejar de manera coherente la variabilidad climática de la región a escala mensual. (b) Desarrollo de un campo diario en alta resolución denominado DA-SDM (800 m), una metodología avanzada de downscaling estadístico específicamente diseñada para la estimación de eventos extremos diarios. Este enfoque utiliza información multifuente y considera factores orográficos y dinámicos para capturar adecuadamente estos eventos extremos, demostrando su capacidad para reproducirlos durante el período de mayo a agosto de 2006. Además, se destaca su potencial de aplicación en otras regiones con características similares. Los resultados de esta tesis proporcionan dos productos complementarios: (1) un conjunto de datos de precipitación mensual en alta resolución que captura la variabilidad climática regional; y (2) un campo diario DA-SDM que permite la evaluación detallada de eventos extremos diarios. La integración de múltiples fuentes de información y la coherencia con la realidad observacional proporcionan una base sólida para estudios hidrológicos, modelación climática y planificación de recursos hídricos.Item Métodos de galerkin discontinuos para problemas de interfaz: aplicación a procesos de desalinización del agua.(Universidad de Concepción, 2024) Bermúdez Montiel, Isaac; Solano Palma, Manuel Esteban; Camaño Valenzuela, Jessika PamelaThe aim of this thesis is to develop continuous and discontinuous Galerkin-type discretizations applied to interface problems modelled by systems of partial differential equations (PDEs). The com plexity of these problems lies in the unknowns and their associated source terms arising from coupling interfaces, as well as the non-linearity of the equations. First, we consider a coupled Navier–Stokes/transport system inspired by the modeling of a reverse osmosis effect in water desalination processes when considering feed and permeate channels coupled through a semi-permeate membrane. The variational formulation consists of a set of equations where the velocities and concentrations, along with tensors and vector fields introduced as auxiliary unknowns, and two Lagrange multipliers, are the main unknowns of the system. The latter are introduced to deal with the trace of functions that do not have enough regularity to be restricted to the boundary. In addition, the pressures can be recovered afterwards by a postprocessing formula. As a consequence, we obtain a nonlinear Banach spaces-based mixed formulation, which has a perturbed saddle point struc ture. We analyze the continuous and discrete solvability of this problem by linearizing the perturbation term and applying the classical Banach fixed point theorem along with the Banach–Nečas–Babuška result. Regarding the discrete scheme, feasible choices of finite element subspaces that can be used include Raviart–Thomas spaces for the auxiliary tensor and vector unknowns, piecewise polynomials for the velocities and concentrations, and continuous polynomial space of lowest order for the traces, yielding stable discrete schemes. An optimal a priori error estimate is derived, and numerical results illustrating both, the performance of the scheme confirming the theoretical rates of convergence, and its applicability, are reported. Once we have established the theoretical foundations to ensure the solvability of the variational scheme, we take advantage of them to numerically address different approaches closely related to reverse osmosis processes by considering coupled Brinkman–Forchheimer/transport equations in addition to Navier–Stokes/transport equations. The cases of a single channel and coupled feed/permeate channels are covered. Thus, through diverse numerical simulations and a variety of configurations, we illustrate the capability of the method to accurately capture the behavior of saline water when passing through membrane-based reverse osmosis desalination channels. Onthe other hand, we present and analyze a hybridizable discontinuous Galerkin (HDG) method for coupling Stokes and Darcy equations, whose domains are discretized by two independent triangulations. This causes non-conformity at the intersection of the subdomains or originates a gap (unmeshed region) between them. In order to properly couple the two different discretizations and obtain a high order scheme, we propose suitable transmission conditions based on mass conservation, equilibrium of normal forces, and the Beavers–Joseph–Saffman law. Since the meshes do not necessarily coincide at the interface, we use the Transfer Path Method (TPM) to tie them. We establish the well-posedness of the method and provide error estimates where the influences of the non-conformity and the gap are explicit in the constants. Finally, numerical experiments that illustrate the performance of the method are shown.Item Consequences of Torsion in Four Dimensions.(Universidad de Concepción, 2024) Medina Medina, Perla Soledad; Anabalón Dupuy, Andrés FernandoThis thesis addresses two fundamental topics in the field of gravity. First, a reformulation of the Mimetic theory of gravity in first-order formalism for differential forms, i.e., the mimetic version of Einstein-Cartan-Kibble-Sciama (ECKS) gravity. Here we consider different possibilities on how torsion is af- fected by conformal transformations and discuss how this translates into the interpolation between two different conformal transformations of the spin con- nection, parameterized with a zero-form parameter λ. We prove that regardless of the type of transformation one chooses, in this setting torsion remains as a non-propagating field. We also discuss the conservation of the mimetic stress- energy tensor and show that the trace of the total stress-energy tensor is not null but depends on both, the value of λ and spacetime torsion. Second, the Einstein-Hilbert action is studied in the first-order formalism, considering the coupling of a scalar field to different topological invariants. The implications of this coupling on the dynamics of the gravitational field and the evolution of the early universe are analyzed. The results obtained contribute to a better understanding of gravity and its relationship with the topology of spacetime. Second, the Einstein-Hilbert action is studied in the first-order formalism, con- sidering the coupling of a scalar field to different topological invariants. The implications of these couplings on the field equations are analyzed. The re- sults obtained shed light on a theoretical framework where it could be easier to introduce couplings of scalar fields to the geometry.Item Caracterización de regiones de formación estelar de alta masa: G353, L1482, y Vela.(Universidad de Concepción, 2024) Álvarez Gutiérrez, Rodrigo Hernán; Stutz, Amelia MarieEl campo de la formación estelar a alta masa aún no es entendido del todo. Procesos tales como campos magnéticos, feedback estelar, e intrincados campos de velocidad agregan complejidad a la caracterización de estas regiones. Observatorios como ALMA, APEX, y el 30m de IRAM nos permiten acceder a escalas espaciales y espectrales pequeñas. En este contexto redujimos las observaciones de N2H+ de las 15 regiones del large program ALMA-IMF, y nos enfocamos en el análisis de la cinemática del gas denso del protocúmulo G353.41. Esta región está a una distancia de ∼ 2kpc, arraigado en un filamento de gran escala (∼ 8pc) y con una masa ∼ 2.5 × 103M⊙ en 1.3 ×1.3 pc2. Extrajimos la componente aislada de la emisión de N2H+ y ajustamos tres componentes de velocidad Gaussianas para identificar estructuras a escalas pequeñas. Identificamos varios gradientes de velocidad a escalas grandes (∼ 1pc) y pequeñas(∼0.2pc). Medimos nueve pares convergentes de gradientes de velocidad (VGs) los cuales llamamos “V-shapes” (∼ 20kms−1pc−1). Estos están en su mayoría localizados en filamentos y algunos están asociados a cores en el punto de convergencia. Interpretamos estos V-shapes como movimientos del gas hacia regiones mas densas, alimentando a los cores situados en la cercanía. Estimamos los tiempos asociados a estos V-shapes como VG−1. Estos tiempos son de alrededor de 67 kyr. Derivamos la taza de acreción de masa en estas estructuras, estando en el rango de (0.35 − 8.77) × 10−4 M⊙ yr−1. Estos movimientos del gas conlleva al colapso del filamento y la formación de nuevos cores. Sugerimos que el protocúmulo está colapsando a escalas grandes, pero la velocidad de colapso es mas lenta en comparación a solo caída libre. Por lo tanto, estos datos son consistentes con que el protocúmulo está bajo una contracción gravitatoria y rápida formación de cores dentro del mismo. Esto sugiere la formación de múltiples generaciones de estrellas a lo largo de la vida del protocúmulo. También analizamos la cinemática de las regiones L1482 south y Vela, dos sistemas masivos filamentarios dentro de 1kpc. Tanto HCO+ como C18O presentan emisión a escalas grandes, ambas con una discontinuidad en la posición del cúmulo NGC 1579. El campo de velocidad de ambos trazadores presenta múltiple gradientes de velocidad (“V-shapes”), siendo estos posibles indicadores de colapso gravitacional producto de movimientos del gas a escalas pequeñas hacia zonas mas densas. Esto también lo vemos en Vela, donde estos movimientos son a lo largo del filamento. Medimos el perfil de linea de masa de Vela y del filamento que contiene al protocúmulo G353. Vemos que el perfil de vela está ubicado en el medio de nuestro diagrama, entre estructuras en Orión, mientras que el f ilamento G353 tiene el perfil mas alto de nuestra muestra. Posiblemente las regiones ubicadas en la parte de arriba o abajo nuestro diagrama son jóvenes o presentan formación estelar muy ineficientes, y a medida que estas regiones forman estrellas, sus perfiles se mueven al medio de la distribución.