Nível Pós-graduação
Semestre 2026/01
Horário Seg/Qua 10:40-12:20

Mecânica Quântica I — Plano do Curso (2026.1)

Programa de Pós-Graduação em Física — UERJ Prof. Marcelo Santos Guimarães

Período: 09/03/2026 – 10/07/2026 Horário: Segundas e quartas-feiras, 1h40min por aula; fechamento da avaliação final na sexta-feira, 10/07 Carga horária total: 60 horas (36 encontros regulares × 1h40min; bloco final de avaliação encerrado até 10/07)


Visão geral do curso

O curso apresenta a mecânica quântica no nível de pós-graduação, equilibrando rigor formal e intuição física, com orientação para informação quântica. A estrutura segue a lógica:

formalismo → aplicações concretas → perspectiva de informação quântica

O material é organizado em seis módulos temáticos, intercalados com cinco avaliações presenciais. Os módulos I–III seguem de perto as notas de aula do professor; os módulos IV–VI complementam o curso com simetrias, métodos de aproximação e espalhamento.


Referências principais

  • [Sakurai] Sakurai, J.J. & Napolitano, J. — Modern Quantum Mechanics, 3ª ed., Cambridge University Press, 2021.
  • [NC] Nielsen, M.A. & Chuang, I.L. — Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press, 2000.
  • [Ballentine] Ballentine, L.E. — Quantum Mechanics: A Modern Development, 2ª ed., World Scientific, 2015.

Referências complementares:

  • [CT] Cohen-Tannoudji, C., Diu, B. & Laloë, F. — Quantum Mechanics, vols. 1 e 2, Wiley-VCH, 2020 (3ª ed.).
  • [Wilde] Wilde, M.M. — Quantum Information Theory, 2ª ed., Cambridge University Press, 2017.
  • [Preskill] Preskill, J. — Lecture Notes on Quantum Computation, disponível em https://www.preskill.caltech.edu/ph219/.

Estrutura de avaliação

A avaliação será feita por meio de 5 listas de exercícios. As listas serão distribuídas ao longo do curso e avaliadas em sessões presenciais nas quais os alunos resolvem problemas selecionados no quadro. No calendário ajustado, cada bloco de avaliação ocupa dois encontros. A última atividade letiva fica em 10/07/2026, e as notas devem estar prontas até 24/07/2026.

AvaliaçãoDatasConteúdo
Lista 106/04 e 08/04/2026Módulo I — Princípios e formalismo
Lista 227/04 e 29/04/2026Módulo II — Dinâmica quântica
Lista 320/05 e 25/05/2026Módulo III — Sistemas abertos e informação quântica
Lista 410/06 e 15/06/2026Módulo IV — Simetrias e momento angular
Lista 508/07 e 10/07/2026Módulos V e VI — Aproximação e espalhamento

Calendário detalhado

Módulo I — Princípios e Formalismo (8 aulas)

Referências principais: Notas de aula §1–1.5; [Sakurai] caps. 1–2; [Ballentine] caps. 1–3; [NC] §2.1–2.2.

#DataDiaTópico
109/03SegIntrodução ao curso. Axiomas 1 e 2. Espaço de Hilbert; produto interno; notação de Dirac (kets, bras). Observáveis como operadores autoadjuntos; representação espectral; projeções ortogonais.
211/03QuaAxiomas 3, 4 e 5. Medida: probabilidades, regra de Born, colapso. Dinâmica: equação de Schrödinger, operador de evolução unitário. Sistemas compostos: produto tensorial, primeira noção de entrelaçamento.
316/03SegÁlgebra de operadores e representações. C*-álgebras; espectro e norma; álgebra de von Neumann. Estados como formas lineares positivas normalizadas. Construção GNS (visão geral e significado físico).
418/03QuaEspaços de Hilbert de dimensão finita. Representações matriciais; mudanças de base; isometrias. Degenerescência; conjunto completo de observáveis que comutam (CSCO).
523/03SegRelações de incerteza. Espaços de dimensão infinita. Desigualdade de Robertson. Operadores de posição e momento; relação de comutação canônica; delta de Dirac; espaço de Hilbert equipado (rigged Hilbert space).
625/03QuaOscilador harmônico. Método algébrico: operadores de criação e destruição; espectro; funções de onda como polinômios de Hermite. Variáveis número-ângulo.
730/03SegEstados coerentes. Autoestados do operador de destruição; distribuição de Poisson; propriedades de completeza (sobre-completeza). Operador de deslocamento D(z).
801/04QuaEstados comprimidos. Operador de compressão S(r); transformações de Bogoliubov; incerteza mínima no espaço de fases. Representação gráfica no espaço de fases.

Nota: A aula 8 fecha o Módulo I. A Lista 1 deve ser distribuída por volta da aula 5, para que os alunos tenham tempo de prepará-la.

#DataDiaAtividade
A1.106/04SegAvaliação 1 — Lista 1 (Módulo I), dia 1
A1.208/04QuaAvaliação 1 — Lista 1 (Módulo I), dia 2

Módulo II — Dinâmica Quântica (4 aulas)

Referências principais: Notas de aula §1.6–1.7; [Sakurai] caps. 2 e 15; [Ballentine] cap. 4; [CT] vol. 1, complemento H_III.

#DataDiaTópico
913/04SegEvolução temporal. Operador de evolução; equação de Schrödinger para estados e operadores. Oscilações de neutrinos como exemplo paradigmático de sistemas de dois níveis.
1015/04QuaRepresentações de Schrödinger e Heisenberg. Equação de Heisenberg; relação de incerteza tempo-energia. Dinâmica do oscilador harmônico nas duas representações.
1120/04SegMovimento dos estados coerentes. Evolução sob Hamiltoniano geral dependente do tempo (oscilador forçado). Conexão com a dinâmica clássica.
1222/04QuaPropagador e integral de trajetória. Kernel de Feynman; dedução para partícula livre e oscilador harmônico. Formulação de soma sobre histórias (visão geral). Potenciais, transformações de calibre e efeito Aharonov-Bohm.

Nota: A Lista 2 deve ser distribuída por volta da aula 10.

#DataDiaAtividade
A2.127/04SegAvaliação 2 — Lista 2 (Módulo II), dia 1
A2.229/04QuaAvaliação 2 — Lista 2 (Módulo II), dia 2

Módulo III — Sistemas Quânticos Abertos e Informação Quântica (5 aulas)

Referências principais: Notas de aula §2; [NC] caps. 2, 4 e 8; [Sakurai] cap. 3 (operadores de densidade); [Wilde] caps. 3–4; [Preskill] cap. 2.

#DataDiaTópico
1304/05SegSistemas compostos e operador densidade. Produto tensorial revisitado; entrelaçamento. Operador densidade: definição axiomática, estados puros e mistos. Traço parcial e estado reduzido.
1406/05QuaQubits. Esfera de Bloch; matrizes de Pauli como base para operadores em dimensão 2. Estado completamente despolarizado. Purificação de estados mistos.
1511/05SegEntrelaçamento e não-localidade. Estados de Bell; base de Bell. Desigualdade de CHSH. Violação quântica e teorema de Bell. Conexão com fundamentos da MQ.
1613/05QuaEntropia de von Neumann. Definição; propriedades: aditividade, subaditividade, invariância sob evolução unitária. Entropia de entrelaçamento como medida de entrelaçamento. Equação de von Neumann (análogo quântico de Liouville).
1718/05SegCanais quânticos e protocolos de QI. Evolução de sistemas abertos; operadores de Kraus; canal quântico como mapa completamente positivo e que preserva traço (CPTP). Teorema de não-clonagem. Teletransporte quântico e codificação superdensa.

Nota: A Lista 3 deve ser distribuída por volta da aula 15. A avaliação começa depois das aulas de entropia e canais.

#DataDiaAtividade
A3.120/05QuaAvaliação 3 — Lista 3 (Módulo III), dia 1
A3.225/05SegAvaliação 3 — Lista 3 (Módulo III), dia 2

Módulo IV — Simetrias e Momento Angular (4 aulas condensadas)

Referências principais: Notas de aula §3–4; [Sakurai] caps. 3–4; [Ballentine] caps. 3 e 7; [CT] vol. 1, caps. VI–VII e complementos.

#DataDiaTópico
1827/05QuaSimetrias e transformações espaciais. Transformações unitárias e anti-unitárias (teorema de Wigner). Translações e rotações; geradores; álgebra do momento angular.
1901/06SegSpin e representações do momento angular. Operadores de levantamento e abaixamento; quantização de j e m. Representações irredutíveis de SU(2); spin-1/2 e matrizes de Pauli.
2003/06QuaMomento angular orbital. Harmônicos esféricos; equação de Schrödinger em coordenadas esféricas. Relação entre SO(3), SU(2) e representações orbitais.
2108/06SegAdição de momentos angulares e simetrias discretas. Coeficientes de Clebsch-Gordan; acoplamento spin-órbita; teorema de Wigner-Eckart (enunciado). Paridade e reversão temporal.

Nota: A Lista 4 deve ser distribuída por volta da aula 20. Esta versão preserva o núcleo de teoria de representações e simetrias, deixando aplicações mais longas para a lista e para a revisão.

#DataDiaAtividade
A4.110/06QuaAvaliação 4 — Lista 4 (Módulo IV), dia 1
A4.215/06SegAvaliação 4 — Lista 4 (Módulo IV), dia 2

Módulos V e VI — Métodos de Aproximação e Teoria do Espalhamento (6 aulas condensadas)

Referências principais: [Sakurai] caps. 5–7; [CT] vol. 2, caps. VIII e XI–XIII; [Ballentine] caps. 11–13.

#DataDiaTópico
2217/06QuaTeoria de perturbação independente do tempo. Casos não-degenerado e degenerado; correções perturbativas de energias e estados; estrutura fina como exemplo organizador.
2322/06SegEfeito Zeeman e método variacional. Zeeman normal e anômalo. Princípio variacional de Rayleigh-Ritz; aplicação ao hélio. Conexão com QI: estimativa variacional de autovalores como problema de otimização.
2424/06QuaTeoria de perturbação dependente do tempo e regra de ouro de Fermi. Representação de interação; série de Dyson; transições entre dois níveis; transições para contínuo.
2529/06SegFormulação geral do espalhamento. Equação de Lippmann-Schwinger; estados de espalhamento; seção de choque diferencial. Aproximação de Born como primeira ferramenta de cálculo.
2601/07QuaAproximação de Born e ondas parciais. Primeira aproximação de Born; exemplos de Yukawa e Coulomb; decomposição em ondas parciais; deslocamentos de fase.
2706/07SegTeorema óptico e síntese. Seção de choque total; teorema óptico; visão geral da matriz S e da unitariedade como princípio de conservação de informação.

Nota: A Lista 5 deve ser distribuída por volta da aula 24. O bloco final de avaliação usa a quarta-feira 08/07 e a sexta-feira 10/07, último dia letivo permitido.

#DataDiaAtividade
A5.108/07QuaAvaliação 5 — Lista 5 (Módulos V e VI), dia 1
A5.210/07SexAvaliação 5 — Lista 5 (Módulos V e VI), dia 2

Resumo do calendário

SemanaSegundaQuarta
1 (09–13/03)Aula 1 — Axiomas 1–2Aula 2 — Axiomas 3–5
2 (16–20/03)Aula 3 — C*-álgebras, GNSAula 4 — Dim. finita, CSCO
3 (23–27/03)Aula 5 — Incerteza, dim. infinitaAula 6 — Osc. harmônico
4 (30/03–03/04)Aula 7 — Estados coerentesAula 8 — Estados comprimidos
5 (06–10/04)Avaliação 1, dia 1Avaliação 1, dia 2
6 (13–17/04)Aula 9 — Evolução temporalAula 10 — Schrödinger/Heisenberg
7 (20–24/04)Aula 11 — Coerentes: dinâmicaAula 12 — Propagador, calibre, A-B
8 (27/04–01/05)Avaliação 2, dia 1Avaliação 2, dia 2
9 (04–08/05)Aula 13 — ρ̂, traço parcialAula 14 — Qubits, Bloch
10 (11–15/05)Aula 15 — Bell, CHSHAula 16 — Entropia de vN
11 (18–22/05)Aula 17 — Canais, teletransporteAvaliação 3, dia 1
12 (25–29/05)Avaliação 3, dia 2Aula 18 — Simetrias
13 (01–05/06)Aula 19 — Spin e momento angularAula 20 — Mom. ang. orbital
14 (08–12/06)Aula 21 — Adição e simetrias discretasAvaliação 4, dia 1
15 (15–19/06)Avaliação 4, dia 2Aula 22 — Perturbação
16 (22–26/06)Aula 23 — Zeeman, variacionalAula 24 — Perturbação dep. tempo
17 (29/06–03/07)Aula 25 — Formulação do espalhamentoAula 26 — Born e ondas parciais
18 (06–10/07)Aula 27 — Teorema óptico, sínteseAvaliação 5, dia 1

Limite final de aulas: sexta-feira 10/07 fica reservada para a Avaliação 5, dia 2. As notas devem estar prontas até 24/07.


Distribuição das listas de exercícios

ListaDistribuição sugeridaAvaliaçãoTópicos cobertos
1Aula 5 (23/03)06/04 e 08/04Espaço de Hilbert; notação de Dirac; representação espectral; representações matriciais; relações de incerteza; oscilador harmônico; estados coerentes e comprimidos.
2Aula 10 (15/04)27/04 e 29/04Evolução temporal; quadros de Schrödinger e Heisenberg; oscilações entre dois níveis; dinâmica do oscilador; propagador; efeito Aharonov-Bohm.
3Aula 15 (11/05)20/05 e 25/05Operador densidade; traço parcial; qubits e esfera de Bloch; entrelaçamento; desigualdade de Bell; entropia de von Neumann; canais quânticos; teletransporte.
4Aula 20 (03/06)10/06 e 15/06Translações e rotações; representações do momento angular; harmônicos esféricos; adição de momentos angulares; Clebsch-Gordan; paridade; reversão temporal.
5Aula 24 (24/06)08/07 e 10/07Perturbação independente e dependente do tempo; estrutura fina; efeito Zeeman; método variacional; regra de ouro de Fermi; espalhamento; Lippmann-Schwinger; Born; ondas parciais.

Conexões com informação quântica ao longo do curso

Um dos diferenciais deste curso é a integração sistemática de conceitos de informação quântica. A tabela abaixo resume as conexões planejadas em cada módulo:

MóduloConexão com QI
I — FormalismoQubits como sistemas de dimensão 2; estados como recurso; base computacional {|0⟩, |1⟩} e sua identificação com spin-1/2.
II — DinâmicaPortas quânticas como operadores unitários; evolução controlada; fase geométrica e computação holonômica (menção).
III — Sist. abertos e QIMódulo central de QI: estados de Bell, CHSH, teletransporte, codificação superdensa, canais quânticos, não-clonagem.
IV — SimetriasSimetrias como portas quânticas (Pauli, Hadamard, CNOT via spin); entrelaçamento e representações; teorema de Wigner e operações permitidas.
V — AproximaçãoSimulação quântica hamiltoniana; problema variacional como otimização quântica (VQE — menção); perturbação como modelo de erros.
VI — EspalhamentoMatriz S e unitariedade como conservação de informação; teoria quântica de canais e espalhamento.

Notas de Aula

#TópicoArquivo
1Notas de aulaquantum-mechanics2026.pdf

Listas de Exercícios

#TópicoArquivoPrazo
1Módulo I — Princípios e formalismolista1.pdf06/04/2026
2Módulo II — Dinâmica quânticalista2.pdf27/04/2026
3Módulo III — Sistemas abertos e informação quânticalista3.pdf20/05/2026
4Módulo IV — Simetrias e momento angularlista4.pdf10/06/2026
5Módulos V e VI — Aproximação e espalhamentolista5.pdf08/07/2026
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