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3.2 Convergence des trajectoires discr`etes

3.2.3 Probl`emes de martingales

En dimension sup´erieure, on rappelle qu’une trajectoire quantique discr`ete d´ecrivant la mesure d’une observable de la forme A =Pp

i=0λiPi est d´ecrite par

ρk+1 = p X i=0 Lik) T r[Lik)]1 i k+1. (3.25)

Les trajectoires quantiques continues sont, elles, d´ecrites par ρJ t = ρ0+ Z L(ρJ s−)ds + X i∈JS{0} Z t 0 hiJ s−)dWi(s) +X i∈I Z t 0 Z R giJ s−)10<x<v i(ρJs−) [Ni(dx, ds)− dxds] , (3.26) dans le cas o`u I 6= ∅ et ρJ t = ρ0+ Z L(ρJ s−)ds + p X i=1 Z t 0 Z R giJ s−)10<x<viJ s−)[Ni(dx, ds)− dxds] . (3.27) dans le cas o`u I =∅.

Pour montrer la convergence des trajectoires quantiques discr`etes vers les trajectoires quantiques continues, les m´ethodes utilis´ees dans le cadre classique des ´equations de Be-lavkin ne sont pas applicables (en tout cas pas de mani`ere ais´ee).

Le principal obstacle r´eside dans le fait qu’en dimension sup´erieure, la description de l’´equation discr`ete ne se prˆete pas `a une ´ecriture en termes d’´equations diff´erentielles sto-chastiques discr`etes.

En effet, pour mettre en place une telle description cela imposerait d’orthonormaliser la base (1k+10 , . . . , 1k+1p ) de L2({0 . . . , p},Ppi=0piki) comme nous l’avons fait en intro-duisant les variables (Xk) pour les ´equations classiques.

Cependant, mˆeme avec une telle orthonormalisation, il faut ensuite r´eorganiser les termes Lik) pour ´ecrire l’´equation discr`ete avec la base orthonormalis´ee. Or il n’ap-paraˆıt pas dans cette mani`ere de proc´eder d’´ecriture pratique et utilisable pour parvenir `a un r´esultat de convergence digeste.

En outre, mˆeme si une telle ´ecriture ´etait envisageable, elle ne serait pas r´eellement utilisable que dans deux cas d’´equation continues. En effet, elle permettrait de traiter le cas o`u il n’y aurait que des bruits browniens `a la limite ; on utiliserait alors un th´eor`eme de Donsker multidimensionnel pour obtenir la convergence des bruits discrets puis un argument du type Kurtz et Protter. Elle permettrait ´egalement de traiter le cas o`u il n’y a que des processus de Poisson `a la limite ; il s’agirait ici de r´ealiser le processus discret et le processus continu dans le mˆeme espace et de comparer le processus discret `a un sch´ema d’Euler.

Traiter ces deux cas extrˆemes reviendrait donc `a adapter les m´ethodes utilis´ees dans le cas classique. Or, il apparaˆıt clairement que la m´ethode utilis´ee pour le cas diffusif ne s’adapte pas pour le cas avec sauts et inversement. On peut donc en d´eduire qu’il semble difficile de trouver un compromis entre les deux m´ethodes pour traiter le cas o`u il y a un m´elange de brownien et de Poisson.

N´eanmoins, il existe un moyen d’unifier ces deux m´ethodes en utilisant la notion de probl`emes de martingales ([Jac79],[EK86],[JS03],[CFY05]). En effet, on peut interpr´eter les processus limites des trajectoires quantiques (en toute dimension) comme solutions de probl`emes de martingales. Comme nous le verrons un probl`eme de martingale est associ´e `a la donn´ee d’un g´en´erateur infinit´esimal (g´en´erateurs des processus de Markov).

La partie suivante est consacr´ee `a l’´etude des g´en´erateurs associ´es aux trajectoires quantiques.

Convergence des g´en´erateurs de Markov

Dans cette section, nous allons d´efinir les g´en´erateurs infinit´esimaux qui seront en-suite associ´es aux trajectoires quantiques continues par l’interm´ediaire des probl`emes de martingales. Ces g´en´erateurs sont obtenus comme limites des g´en´erateurs des trajectoires quantiques discr`etes. Nous allons maintenant les d´efinir.

On consid`ere donc une trajectoire quantique (ρk) obtenue par mesures r´ep´et´ees d’une observable A =P

i=0λiPi dont l’´etat initial est ρ0. On rappelle que A peut s’´ecrire sous la forme A = λ0+X I∈I λiPi+X j∈J λjPj, o`u I ={i ∈ {1, . . . , p}/pi 00 6= 0} et J = {1, . . . , p} \ I.

On consid`ere h = 1/n le temps d’interaction. A partir de la chaˆıne de Markov (ρk) d´efinie sur l’espace (ΣN

,C, P ) (cf chapitre 1 section 1.4.2), on d´efinit le processus (ρn(t) = ρ[nt]). Ce processus satisfait

P [ρn(0) = ρ] = 1 (3.28)

P [ρn(s) = ρk, k/n≤ s < (k + 1)/n] = 1 (3.29) P [ρk+1 ∈ ΓM(n)k ] = Πnk, Γ) (3.30) o`u Πn(ρ, .) est le noyau de transition de la chaˆıne de Markov (ρk). Il est donn´e par

Πn(ρ, Γ) =

p

X

i=0

pi(ρ)δLi(ρ)(Γ) (3.31)

pour tout bor´elien de Γ ∈ Bor(MN +1(C)) (on rappelle que H0 ≃ CN +1 et que les ´etats forment un sous ensemble compact de MN +1(C)).

On d´efinit le g´en´erateur de Markov du processus (ρn(t)) de la mani`ere suivante. On no-tera C2

`a valeurs dans R. Pour toute fonction f ∈ C2

c et tout ´etat ρ sur H0, on pose Anf (ρ) = n

Z

E

(f (µ)− f(ρ))Πn(ρ, dµ).

L’op´erateur An est le g´en´erateur de Markov de (ρn(t)). On a alors pour tout f ∈ C2 c et pour tout ´etat ρ

Anf (ρ) = n

p

X

i=0

f (Li(ρ))− f(ρ)pi(ρ).

Dans l’article [Pel08c] concernant ce sujet, on fait une identification entre E = MN +1(C) et Rp o`u p = 2(N +1)2. Cette identification est un artifice plutˆot technique et n’apparaˆıt pas dans les r´esultats finaux (mis `a part sous la forme d’une remarque sur laquelle nous reviendrons dans ce rapport).

Pour d´eterminer les g´en´erateurs des trajectoires quantiques continues, on consid`ere la limite deAnquand n tend vers l’infini. On a la proposition suivante bas´ee sur la description des asymptotiques d´ecrites dans la section 2.2.1 du chapitre 2.

Proposition 3.3 (Proposition 2 de [Pel08c]) Soit (ρJ

n(t)) la trajectoire quantique ob-tenue par mesures r´ep´et´ees d’une observable A de la forme

A = λ0 +X I∈I λiPi+X j∈J λjPj et soit AJ

n son g´en´erateur de Markov. On a les r´esultats de convergence suivants. 1. Si I ={1, . . . , p}, on a pour tout f ∈ C2 c : lim n→∞sup ρ∈S AJ nf (ρ)− AJf (ρ) (3.32)

o`u AJ est un op´erateur infinit´esimal d´efini par AJf (ρ) = Dρf  L(ρ)  + Z E  f  ρ + µ  − f(ρ) − Dρf (µ)  Π(ρ, dµ). (3.33) Le terme Π d´esigne un noyau de transition d´efini par

Π(ρ, dµ) = p X i=1 vi(ρ)δgi(ρ)(dµ). 2. Si I 6= {1, . . . , p}, on a pour tout f ∈ C2 c(E) : lim n→∞sup ρ∈S AJ nf (ρ)− AJf (ρ) (3.34)

o`u AJ est un op´erateur infinit´esimal d´efini par AJf (ρ) = Dρf (L(ρ)) +1 2 X i∈JS{0} Dρ2f (hi(ρ), hi(ρ)) + Z E [f (ρ + µ)− f(ρ) − Dρf (µ)] Π(ρ, dµ), (3.35) Le terme Π d´esigne un noyau de transition d´efini par

Π(ρ, dµ) =X

i∈I

vi(ρ)δgi(ρ)(dµ).

Voila donc les diff´erentes expressions concernant les g´en´erateurs limites. Ceux-ci vont nous permettre de d´ecrire les processus limites dans la section suivante.

Probl`emes de martingales

Dans cette section, on pr´esente comment d´efinir un mod`ele stochastique, en th´eorie de la mesure quantique de type continu, `a partir de la solution d’un probl`eme de martingale. Pour tout processus (ρt), on notera Ftρ = σ(ρs, s ≤ t). Dans notre situation la notion de probl`eme de martingale s’exprime de la fa¸con suivante.

D´efinition 3.4 Soit I et J deux sous ensembles formant une partition de {1, . . . , p}, soit AJ le g´en´erateur correspondant, d´efini dans la proposition 3.3 et soit ρ0 un ´etat sur H0.

Soit (Ω,F, P ) un espace de probabilit´e. Alors le processus (ρt) est solution du probl`eme de martingale (AJ, ρ0) si le processus

Mt

f := f (ρt)− f(ρ0)− Z t

0 AJf (ρs)ds est une Ftρ martingale pour tout f ∈ C2

c.

On dira que le probl`eme de martingale admet une unique solution si toutes les solutions ont mˆeme loi.

Dans cette d´efinition, il est important de pr´eciser que d´efinir une solution pour un probl`eme de martingale n´ecessite de d´efinir ´egalement un espace de probabilit´e (Ω,F, P ). Les solutions des probl`emes de martingale, dans notre situation, sont donc donn´ees par les ´equations diff´erentielles d´ecrites dans la section 2.3.5.

Th´eor`eme 3.4 (Proposition 3 et Th´eor`eme 3 de [Pel08c]) Soit (Ω,F, P ) un es-pace de probabilit´e sur lequel vivent un mouvement brownien p + 1 dimensionnel (Wt) = (W0(t), . . . , Wp(t)) et p processus de Poisson (Ni), i = 1, . . . , p mutuellement ind´ependants et ind´ependants du mouvement brownien.

Alors dans le cas I 6= ∅, le processus (ρJ t) solution de ρJ t = ρ0+ Z L(ρJ s−)ds + X i∈JS{0} Z t 0 hiJ s−)dWi(s) +X i∈I Z t 0 Z R giJ s−)10<x<vi(ρJs−) [Ni(dx, ds)− dxds] . (3.36) est la solution du probl`eme de martingale pour (AJ, ρ0) dans le cas o`u

AJf (ρ) = Dρf (L(ρ)) +1 2 X i∈JS{0} Dρ2f (hi(ρ), hi(ρ)) + Z E [f (ρ + µ)− f(ρ) − Dρf (µ)] Π(ρ, dµ). Dans le cas I =∅, le processus (ρJ

t) solution de ρJ t = ρ0+ Z L(ρJ s−)ds + p X i=1 Z t 0 Z R giJ s−)10<x<v i(ρJs−) [Ni(dx, ds)− dxds] . est la solution du probl`eme de martingale pour (AJ, ρ0) dans le cas o`u

AJf (ρ) = Dρf (L(ρ)) + Z

E

[f (ρ + µ)− f(ρ) − Dρf (µ)] Π(ρ, dµ).

Dans ce th´eor`eme il y a deux choses `a v´erifier. Premi`erement que la solution de l’´equation diff´erentielle stochastique r´epond bien au probl`eme de martingale et deuxi`eme-ment que le probl`eme de martingale admet une unique solution.

Concernant la premi`ere partie il s’agit d’une cons´equence de la formule d’Ito pour les processus stochastiques. La deuxi`eme partie vient du fait que la solution de l’´equation diff´erentielle est unique (cf [EK86]).

Nous allons finir cette sous-section par quelques remarques.

La premi`ere concerne l’unicit´e en loi du probl`eme de martingale et l’identification entre E = MN +1(C) et R2(N +1)2

. Classiquement, dans la litt´erature concernant les g´en´erateurs de Markov, on d´efinit ces g´en´erateurs de la mani`ere suivante

Af(ρ) = 2(N +1)2 X i=1 bi(ρ)∂f (ρ) ∂ρi +1 2 2(N +1)2 X i,j=1 aij(ρ)∂f (ρ) ∂ρi∂ρj + Z R2(N +1)2  f(ρ + µ) − f(ρ) − 2(N +1)2 X i=1 µi∂f (ρ) ∂ρi   Π(ρ, dµ), (3.37)

o`u la matrice a(.) = (aij(.)) est semi d´efinie positive et mesurable et o`u les bi(.), i = 1, . . . , 2(N +1)2

sont des fonctions mesurables. Ici le noyau de transition est d´efini sur R2(N +1)2 , il satisfait

Π(ρ, dµ) =X

i∈I

vi(ρ)δgi(ρ)(dµ).

Il faut remarquer que dans cette ´ecriture les fonctions giet vi sont des fonctions d´efinies sur R2(N +1)2

`a valeurs dans R2(N +1)2 .

Si on d´eveloppe les termes Df et D2f dans l’expression des g´en´erateurs de Markov limites, alors il est ´evident que l’on obtient une expression similaire `a celle-ci.

Etudions donc la forme de la solution du probl`eme de martingale dans une telle confi-guration.

Pour r´esoudre le probl`eme de martingale associ´e `a ce type de g´en´erateur, on consid`ere un espace (Ω,F, P ) sur lequel vivent alors un mouvement brownien 2(N +1)2

dimensionnel (Wt) et p processus de Poisson Ni, i = 1 . . . , p mutuellement ind´ependants et ind´ependants de W . On pose la matrice σ(.) telle que σ(.)σt(.) = a(.), on pose b(.) = (b1(.), . . . , b2(N +1)2(.)) et on d´efinit l’´equation diff´erentielle stochastique

ρJ t = ρ0+ Z t 0 b(ρJ s−)ds + Z t 0 σ(ρJ s)dWs +X k∈I Z t 0 Z R gkJ s−)10<x<vkJ s−)[Nk(dx, ds)− dxds] . (3.38) Ici le processus (ρJ

t) est `a valeurs dans R2(N +1)2 .

Il est donc int´eressant de remarquer que l’on a besoin ici d’un mouvement brow-nien 2(N +1)2

dimensionnel d´ependant de la dimension de H0, alors que dans l’expression pr´ec´edente, on travaillait avec un mouvement p + 1 dimensionnel qui d´ependait du nombre de valeurs propres de l’observable A de H.

Ainsi, nous avions p ≤ K. Le param`etre K est en r´ealit´e impos´e par les conditions de l’exp´erience physique alors que le param`etre 2(N +1)2

(mˆeme si N correspond `a la dimension deH0) est purement math´ematique.

La deuxi`eme remarque concerne le fait que le th´eor`eme 3.4 redonne l’expression des ´equations classiques. On retrouve imm´ediatement l’expression dans le cas avec sauts si on applique ces r´esultats en dimension 2 avec une observable diagonale, alors que l’on a une expression faisant intervenir deux browniens dans l’´equation diffusive. En r´ealit´e on peut observer ici que les coefficients devant le mouvement brownien satisfont h0 = −h1

et retrouver la mˆeme expression. Fermons ici ces parenth`eses qui rel`event plus de simples constatations que de fait profonds.

Convergence des trajectoires discr`etes

Introduisons ici les outils permettant de conclure quant `a la convergence des processus (ρn(t) vers les solutions des ´equations diff´erentielles stochastiques. Nous allons ici proc´eder

de mani`ere plus classique en th´eorie de la convergence des processus. Nous allons, en effet, montrer que les lois fini-dimensionnelles des trajectoires quantiques discr`etes convergent vers les lois fini-dimensionnelles des solutions des ´equations diff´erentielles stochastiques. Puis pour conclure nous montrerons que les trajectoires quantiques sont des processus relativement compacts (propri´et´e de tension).

Rappelons que l’on a d´efinit les mod`eles continus `a partir de la donn´ee de g´en´erateurs infinit´esimaux provenant de la convergence des g´en´erateurs des trajectoires quantiques discr`etes. Il est donc naturel que la convergence des processus discrets vers les proces-sus continus s’appuie sur la convergence de ces g´en´erateurs. Le r´esultat, concernant les g´en´erateurs, associ´e `a l’unicit´e de la solution (en loi) du probl`eme de martingale va nous permettre de montrer la convergence des lois fini-dimensionnelles. Nous r´esumons ici les r´esultats concernant le th´eor`eme 4 et les propositions 5 et 6 de l’article [Pel08c].

Th´eor`eme 3.5 Soit ρ0 un ´etat sur H0. Soit AJ le g´en´erateur infinit´esimal du processus de Markov (ρJ

t) solution de l’´equation diff´erentielle stochastique

ρJ t = ρ0+ Z L(ρJ s−)ds + X i∈JS{0} Z t 0 hiJ s−)dWi(s) +X i∈I Z t 0 Z R giJ s−)10<x<vi(ρJs−) [Ni(dx, ds)− dxds] . Soit (ρJ

n(.)) la trajectoire quantique discr`ete correspondant `a cette ´equation (celle dont le g´en´erateur permet, `a la limite, de d´efinir AJ). Soit Fn

t le filtration naturelle associ´ee au processus (ρn(t)).

Alors le processus (ρJ

n(.)) est (Fn

t) adapt´e et pour tout m≥ 0, pour tout 0 ≤ t1 < t2 < . . . < tm ≤ t < t + s, pour toutes fonctions (θi)i=1,...,m et pour toute fonction f in C2

c on a : lim n→∞E " f (ρJ n(t + s))− f(ρJ n(t))− Z t+s t AJf (ρJ n(s)) Ym i=1 θiJ n(ti)) # = 0. (3.39) De plus le processus (ρJ

n(.)) est relativement compact.

En conclusion, comme le probl`eme de martingale (AJ, ρ0) admet une unique solution, la trajectoire quantique discr`ete (ρJ

n(.)) converge en loi vers la trajectoire quantique continue (ρJ

t).

Donnons quelques ´el´ements permettant de montrer la convergence en loi `a partir des conditions satisfaites par la trajectoire quantique discr`ete (ρJ

t).

La condition (3.39) provient de fa¸con naturelle de la convergence des g´en´erateurs (la d´emonstration de ce r´esultat est facilit´ee par le caract`ere uniforme de la convergence des g´en´erateurs). C’est cette propri´et´e qui exprime la convergence des lois fini-dimensionnelles de (ρJ

n(t)). La relative compacit´e nous permet alors de conclure `a la convergence en lois des processus.

Cette d´emarche est classique dans ce type de conclusion, dans les cas classiques ces propri´et´es sont ´egalement satisfaites mais elles n’interviennent pas directement dans les preuves.

En effet, comme la suite de processus (ρJ

t) est relativement compact, si (Yt) d´esigne un procesus limite d’une suite extraite de (ρJ

n(t)), alors la convergence en loi de la sous suite extraite et la condition (3.39) impliquent n´ecessairement

E " f (Yt+s)− f(Yt)− Z t+s t AJf (Ys) Ym i=1 θi(Yti) # = 0, (3.40)

pour tout m ≥ 0, pour tout 0 ≤ t1 < t2 < . . . < tm ≤ t < t + s, pour toutes fonctions (θi)i=1,...,m et pour toute fonction f in C2

c.

La condition (3.40), satisfaite par le processus (Yt), entraˆıne le fait que ce processus est un processus de Markov et qu’il est solution du probl`eme de martingale (AJ, ρ0). En cons´equence, par unicit´e du probl`eme de martingale, les processus (Yt) et (ρJ

t) ont mˆeme loi. Ainsi toute sous suite extraite de (ρJ

n(t)) ,qui converge en loi, converge en loi vers (ρJ

t). La propri´et´e de relative compacit´e entraˆıne la convergence en loi de la suite (ρJ

n(t)) vers (ρJ

t). Remarque La solution du probl`eme de martingale associ´ee `a (AJ, ρ0) est un processus de Markov par rapport `a sa filtration naturelle. Cela vient naturellement du fait que AJ

d´efinit un g´en´erateur de Markov et que le probl`eme de martingale associ´e `a ce g´en´erateur admet une unique solution (cf [EK86]).

Ceci conclue la premi`ere partie correspondant `a un expos´e des notions utilis´ees dans l’ensemble de nos r´esultats. La deuxi`eme partie est consacr´ee `a la pr´esentation de 5 articles qui reprennent en d´etails tous les r´esultats expos´es dans le chapitre 2 avec les preuves compl`etes.

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