Roland Vergnioux Graphes de Cayley des groupes quantiques libres et KK-théorie Toulouse, 31 mars 2003

i. Introduction

– Opérateur de Julg-Valette associé à un arbre. On définit un opérateur F_{g}^{∗} de l’espace ℓ_{2} des arêtes géométriques du graphe vers l’espace ℓ_{2} des sommets, de la manière suivante : étant donnée une arête géométrique, on choisit l’orientation « montante », c’est-à-dire celle qui s’éloigne de l’origine, et on prend son but : cela revient à associer à chaque arête son extrémité la plus éloignée de l’origine. Il est clair sur cette définition que F_{g}^{∗} est injectif, et que son image est le sous-espace de H associé aux sommets distincts de l’origine.

– Si l’arbre est associé à un groupe libre, ce qui est le cas sur le dessin, on peut faire agir le groupe dessus : cela revient à déplacer l’origine. Cela ne change rien à la notion de « sommet le plus éloigné de l’origine », et donc à l’action de l’opérateur de Julg-Valette, sauf pour les arêtes qui sont entre l’ancienne et la nouvelle origine. Ces arêtes sont en nombre fini, cela revient à dire que l’opérateur de Julg-Valette commute à l’action d’un élément du groupe modulo les opérateurs compacts. C’est exactement ce qu’il faut pour définir un élément γ ∈ KK_{G}(ℂ, ℂ).

– À quoi ça sert ? Julg et Valette montrent que γ est homotope à l’élément unité de KK_{G}(ℂ, ℂ). Cela permet de montrer la K-moyennabilité des groupes agissant sur les arbres avec des stabilisateurs moyennables, c’est à dire le fait que le morphisme de réduction λ : C_{p}^{∗}(G) → C_{r}^{∗}(G) induit un isomorphisme en K-théorie.

– La K-moyennabilité est une notion introduite par Cuntz pour ramener le calcul de la K-théorie de la C^{∗}-algèbre réduite d’un groupe libre à celui de la K-théorie de la C^{∗}-algèbre pleine. Le cas réduit avait en effet été calculé de manière technique et compliquée par Pimsner et Voiculescu, tandis que Cuntz avait un calcul très simple pour le cas plein. Le cadre géométrique de Julg et Valette permet d’obtenir la K-moyennabilité pour d’autres exemples de groupes intéressants : les produits libres amalgamés de groupes moyennables, SL_{2}(ℚ_{p}), ...

– L’élément γ de Julg et Valette joue également un rôle dans la preuve de la conjecture de Baum-Connes pour certaines classes de groupes. Il peut ainsi s’écrire comme produit de Kasparov d’éléments « Dirac » et « dual-Dirac » : cf les travaux de Kasparov et Skandalis dans le cas des actions de groupes sur leurs immeubles de Bruhat-Tits.

– Objectif de l’exposé : construire des objets géométriques « quantiques » qui soient les analogues des arbres des groupes libres, les utiliser pour construire un élément γ de KK-théorie équivariante pour les groupes quantiques libres.

ii. Plan de l’exposé

(a) Rappels – groupes quantiques discrets

– exemples : A_{u}(Q), A_{o}(Q)

– graphes de Cayley pour les groupes discrets

(b) Graphes de Cayley quantiques – définitions

– cas des arbres

– image et noyau de F_{g}^{∗}

(c) Element γ pour A_{o}(Q) – espace H_{∞}

– représentation π_{∞} 1. Groupes quantiques discrets : C^{∗}-algèbres

– Cadre axiomatique : C^{∗}-algèbre de Woronowicz, ie C^{∗}-algèbre unifère munie d’un coproduit δ : S → S⊗S coassociatif ((δ⊗id)δ = (id⊗δ)δ) et bisimplifiable (δ(S)(1⊗S) et δ(S)(S⊗1) denses dans S⊗S).

– Premier exemple : groupes compacts. Il justifie la terminologie de « groupe quantique compact », au sens de la géométrie non commutative, mais ce n’est pas l’exemple qui nous intéresse le plus.

– Exemple principal : C^{∗}-algèbres des groupes discrets (réduites, pleines ou « entre les deux »). Elles sont cocommutatives, c’est-à-dire que leurs coproduits sont symétriques, et on obtient ainsi tous les groupes quantiques compacts cocommutatifs.

– Définition des corepresentations de dimension finie. Elles forment une catégorie tensorielle avec involution : dans le cas des groupes compacts, cela correspond au produit tensoriel de représentations et aux représentations contragrédientes.

– On a une théorie de Peter-Weyl (décomposition en somme de coreprésentations irréductibles), on note Irr C un système de représentants des coreprésentations irréductibles. En fait on sait reconstruire le groupe quantique à partir de la catégorie « concrète » C, et on sait caractériser les catégories qui apparaissent ainsi : deuxième cadre axiomatique (dualité de Tannaka-Krein).

– Exemple : les coreprésentations irréductibles de C^{∗}(Γ) s’identifient aux éléments du groupe Γ, le produit tensoriel et la conjugaison correspondent alors à la loi de groupe et à l’inverse. Dans ce cas les coreprésentations irréductibles sont toutes de dimension 1, et cela caractérise en fait le cas cocommutatif (les caractères du groupe quantique compact forment un groupe discret).

– Dans le cas général, on pensera donc parfois aux éléments de Irr C comme aux points du groupe quantique discret considéré. Ces coreprésentations ne sont pas de dimension 1 en général, et le produit tensoriel de deux coreprésentations s’écrit comme une somme de coreprésentations irréductibles (« règles de fusion »).

– C^{∗}-algèbre duale : somme des algèbres de matrices associées aux coreprésentations irréductibles. On aura besoin des projecteurs centraux minimaux p_{s}. Dans le cas discret, on retrouve la C^{∗}-algèbre des fonctions nulles à l’infini sur Γ et les fonctions caractéristiques des points de Γ.

2. Groupes quantiques discrets : objets hilbertiens

– Résultat central de la théorie : existence d’un état de Haar h sur S, ie un état invariant. La représentation GNS associée n’est pas fidèle en général : on note S_{r} son image, qui est encore une C^{∗}-algèbre de Woronowicz. Par ailleurs la C^{∗}-algèbre duale est également représentée (de manière fidèle) dans L(H) : cf la transformation de Fourrier des groupes abéliens.

– Exemple : sur ℂΓ l’état de Haar est nul sur les éléments g ≠ e, et vaut 1 sur l’unité e de Γ. On retrouve la représentation régulière de Γ sur ℓ^{2}(Γ), la C^{∗}-algèbre réduite C_{r}^{∗}(Γ) et l’action par multiplication de C_{0}(Γ) sur ℓ^{2}(Γ). Les projecteurs p_{s} sont les projecteurs orthogonaux sur les fonctions caractéristiques dans ℓ^{2}(Γ) des éléments de Γ.

– Unitaires multiplicatifs et systèmes de Kac. C’est un troisième cadre axiomatique : à tout groupe quantique on associe un unitaire « multiplicatif » V sur H⊗H (ie vérifiant l’identité pentagonale), et un unitaire involutif U sur H. On dit que (H, V, U) est le système de Kac du groupe quantique compact. On peut caractériser les systèmes de Kac qui apparaissent ainsi, et reconstruire les groupes quantiques compacts associéS. Je n’ai pas besoin de donner les constructions explicites pour cet exposé.

– Exemple : V et U sont donnés par des formules très simples qui reflètent la structure du groupe discret sous-jacent.

3. Groupes quantiques libres

– La C^{∗}-algèbre pleine du groupe libre F_{n} est la C^{∗}-algèbre engendrée par n générateurs u_{i} et les relations « minimales », ie celles qui rendent les u_{i} unitaires. Les C^{∗}-algèbres de Woronowicz « libres » sont définies de même par des générateurs et des relations « minimales ».

– Groupe quantique libre A_{u}(Q) : les n^{2} générateurs u_{ij} forment une matrice u et on demande qu’elle soit unitaire, ainsi que la matrice conjuguée ū (dans le cadre non commutatif la première condition n’implique pas la deuxième). On peut introduire un paramètre Q ∈ GL_{n}(ℂ) pour déformer la deuxième condition. On obtient ainsi une C^{∗}-algèbre de Woronowicz, avec un coproduit tel que u soit une coreprésentation de A_{u}(Q) (Wang, van Daele). On a une version « orthogonale », A_{o}(Q), pour laquelle on demande que QūQ^{−1} soit égale à u.

– La théorie des coreprésentations a été étudiée par Banica. Pour A_{u}(Q), on peut indexer Irr C par les mots en u et ū, de manière à avoir les règles de fusion et de conjugaison indiquées sur le transparent. Pour A_{o}(Q), si on suppose que QQ̄ est scalaire, on peut indexer Irr C par ℕ de manière à avoir les même règles de fusion et de conjugaison que pour SU(2). Notons d’ailleurs que dans le cas n = 2 on retrouve les groupes quantiques compact SU_{q}(2) de Woronowicz.

4. Graphes de Cayley classiques

– Énumérer les données. Δ s’interprète comme l’ensemble des directions suivies par les arêtes. On a deux visions équivalentes. Dans les deux cas l’ensemble des sommets est Γ lui-même.

– Vision simpliciale : une arête est un couple (r, r′) de sommets tel que r′ = rs pour un certain s ∈ Δ. On peut retourner les arêtes, et on dispose donc des notions d’orientation et d’arêtes géométriques.

– Vision « origine + direction » : une arête est simplement la donnée d’un point de départ dans Γ et d’une direction dans Δ. On retrouve la vision précédente grâce à des applications origine et but. L’application de retournement se lit de manière particulière dans cette nouvelle formulation.

– Exemple : graphe de ℤ/3ℤ × ℤ/2ℤ, de F_{2} (figure).

5. Graphes de Cayley quantiques

– Les données : groupes quantiques discrets (divers objets associés), projecteur central de Ŝ qui s’écrit comme somme de projecteurs centraux minimaux p_{r} sur un sous-ensemble fini D de C. Conditions sur p_{1} analogues de celles sur Δ.

– On généralise la version simpliciale du graphe de Cayley de manière naïve. On obtient un graphe classique, en remplaçant l’égalité r′ = rs par une inclusion r′ ⊂ r⊗s. Grâce à la dualité de Jacobi, on a une application de retournement bien définie, on peut donc parler d’orientation et d’arêtes géométriques. Spécificités quantiques : on peut avoir r′ ⊂ r⊗s et r′ ⊂ r⊗s′, avec de la multiplicité. Pour garder une trace de ces phénomènes, on munit les arêtes d’une couleur (à valeurs dans Δ) et d’une multiplicité.

– On généralise la vision « origine + direction » au niveau des espaces ℓ_{2}, dans l’esprit de la géométrie non commutative. Le sous-espace p_{1}H est la somme des p_{r}H avec r ∈ D et s’interprète comme l’espace ℓ_{2} des directions : on pose K = H⊗p_{1}H. On définit un opérateur de retournement des arêtes par la formule indiquée sur le transparent, qui est en fait une généralisation naturelle de la formule algébrique Θ(f)(r, s) = f(rs, s^{−1}). Une fois Θ défini, on dispose d’un sous-espace des arêtes géométriques naturel K_{g}, qui est le noyau de Θ−id. A la différence du cas classique, Θ n’est plus involutif en général, ce qui signifie que lorsqu’on retourne deux fois une arête on ne retombe pas forcément sur l’arête de départ. C’est la principale nouveauté du cas quantique, comme on le verra dans la suite.

– Par ailleurs on peut définir des opérateurs origine et but : pour l’opérateur origine on tue simplement la deuxième composante du couple (origine, direction) à l’aide d’une forme linéaire ϵ sur p_{1}H, et pour l’opérateur but on compose à droite par l’opérateur de retournement. Dans le cas classique ϵ envoie 11_{s} sur 1 pour tout s ∈ D, dans le cas quantique c’est la forme linéaire induite sur p_{1}H par la co-unité du groupe quantique compact. Enfin on dispose d’un opérateur extrémités de K dans H⊗H qui contient O et B et n’est autre que la restriction de V.

– Le graphe quantique est muni de représentations du groupe quantique discret. Par définition, S_{r} agit sur H, et on la fait agir sur le premier facteur de K. Alors Θ, O et B commutent à S_{r}, et en particulier S_{r} agit sur K_{g}. Ce sont ces actions qui font du graphe quantique l’objet le plus intéressant pour la KK-théorie. Le graphe classique servira plutôt d’auxiliaire pour l’étude du graphe quantique — en particulier les hypothèses que nous serons amenés à faire porteront sur le graphe classique. On peut illustrer cette relation entre les deux graphes de la manière suivante : soit r ∈ C un sommet du graphe classique, on pensera au sous-espace p_{r}H comme à l’espace d’un « sommet quantique » r.

– Exemple : graphe classique de A_{u}(Q), A_{o}(Q) (figure).

6. Orientation

– On suppose maintenant que le graphe classique associé à (V, p_{1}) est un arbre strict, c’est-à-dire que c’est un arbre lorsqu’on le munit de la structure additionnelle déjà évoquée. On choisit la représentation triviale 1_{C} comme origine du graphe classique, et on dispose d’une orientation associée 𝔞_{+}, dite « des arêtes montantes ». Le fait que (𝔞, 𝔰) soit un arbre strict signifie alors que les arêtes n’ont pas de multiplicité, et qu’il y a au plus une arête montante pour chaque couleur / direction.

– On souhaite définir un sous-espace des arêtes montantes dans K : on procède pour cela de manière naïve, à partir de l’ensemble des arêtes montantes du graphe classique, du projecteur associé ∑_{(r,r′)∈𝔞_{+}}(p_{r}⊗p′_{r}) sur H⊗H, et de l’opérateur extrémités quantique V. On note p_{⋆+} le projecteur de K obtenu, p_{⋆−} son complémentaire. Lorsqu’on retourne p_{⋆−}, on obtient un nouveau projecteur p_{+⋆} = Θ^{∗}p_{⋆−}Θ qui commute aux deux premiers. On appelle sous-espace des arêtes quantiques montantes K_{++} = p_{++}K avec p_{++} = p_{+⋆}p_{⋆+}. On note de la même manière p_{+−} = p_{+⋆}p_{⋆−}, K_{+−} = p_{+−}K, ...

– On peut alors définir l’adjoint de l’opérateur de Julg-Valette par la formule F_{g}^{∗} = Bp_{++} : il envoie en deux étapes une arête géométrique sur un sommet du graphe quantique, comme dans le cas classique. On va voir que c’est la première étape (choix de l’orientation montante) qui pose problème, à cause de la non-involutivité de Θ. L’opérateur but restreint aux arêtes montantes se comporte ensuite comme dans le cas classique, comme le montre la proposition suivante ...

7. Image et noyau de F_{g}^{∗}

– La restriction de B à K_{++} est injective et son image est (1 − p_{0})H, comme dans le cas classique. De plus on peut montrer que Bp_{++} commute aux représentations de S_{r} modulo des opérateurs compacts. Cependant la situation est plus compliquée que dans le cas classique, où Bp_{++} commute à l’action d’un élément du groupe modulo un opérateur de rang fini.

– Pour étudier la projection de K_{g} sur K_{++}, on a besoin de mieux maîtriser la noninvolutivité de Θ, et on utilise un résultat d’involutivité affaiblie très utile dans les calculs : on retrouve l’involutivité lorsqu’on compresse par p_{++} + p_{−−}. Dans le cas classique on a p_{⋆+} = p_{+⋆} si bien que les projecteurs p_{+−} et p_{−+} sont nuls, et p_{++} + p_{−−} = id.

– On a alors un deuxième résultat : la restriction de p_{++} à K_{g} est injective, et on a une expression de son image (qui donne une expression de l’image de F_{g}^{∗} dans (1 − p_{0})H). Il s’agit des vecteurs de K_{++} dont l’image par p_{+−}Θp_{++} est dans Im(id − p_{+−}Θp_{+−}). Dans le cas classique, cette condition est vide. Dans le cas quantique il faut étudier p_{+−}Θp_{+−} pour pouvoir l’exploiter.

– Regardons ce qui se passe dans la décomposition K = ∑(p_{k}⊗id)K. Dans le cas classique, si on retourne une arête montante partant de l’étage k, on obtient une arête partant de l’étage k + 1, mais nécessairement descendante. Dans le cas quantique, les arêtes de p_{+−} sont à la fois montantes et descendantes : lorsqu’on les retourne, on passe de l’étage k à l’étage k + 1, mais le résultat a encore une composante montante.

– Ainsi p_{+−}Θp_{+−} agit comme un shift vers la droite dans la décomposition : en retournant plusieurs fois une arête, on a en particulier des composantes qui partent à l’infini du graphe. Il faut néanmoins savoir quels sont les poids de ce shift, et pour cela on a besoin de se placer dans le cas particulier de A_{o}(Q) pour faire des calculs explicites.

– En fait ce n’est pas une vraie restriction. Tout d’abord, on peut voir que lorsque le graphe classique associé à (V, p_{1}) est un arbre strict, nécessairement V est un produit libre d’unitaires associés à des groupes quantiques libres A_{u}(Q) et A_{o}(Q), et p_{1} est associé à l’ensemble de représentations fondamentales correspondant. En ce qui concerne A_{u}(Q), toute la difficulté se concentre sur des sous-arbres quantiques isomorphes à celui de A_{o}(Q). Il est très probable que le cas de A_{u}(Q) se traite comme celui de A_{o}(Q), avec des écritures plus compliquées.

8. Espace H_{∞} pour A_{o}(Q)

– Les calculs mené dans le cas de A_{o}(Q) montre que les poids du shift p_{+−}Θp_{+−}(p_{k}⊗id) tendent rapidement vers 1 lorsque k tend vers l’infini. Il est alors naturel d’introduire la limite inductive H_{∞} des (p_{k}⊗id)K_{+−}. Notons que la dimension croît à chaque étage, contrairement à ce qui se passe dans le cas classique, si bien que H_{∞} est de dimension infinie. On utilise pour définir cette limite inductive la partie polaire T de p_{+−}Θp_{+−}, et on modifie en conséquence p_{+−}Θp_{++} (qui intervient dans l’expression de p_{++}K_{g}) pour obtenir un opérateur S. On a des isométries canoniques de chaque sous-espace (p_{k}⊗id)K_{+−} dans la limite inductive H_{∞}, et en sommant on obtient un opérateur non borné P de K_{+−} entier dans H_{∞}.

– On se place dans le cas où Tr Q^{∗}Q > 2 — sinon, les coefficients du shift ne tendent pas assez vite vers 1. Cela revient à exclure les cas particuliers SU(2) et SU_{−1}(2). Alors l’opérateur P S : K_{++} → H_{∞} a des propriétés très intéressantes : il est borné, surjectif, et son noyau a une expression très similaire à celle de p_{++}K_{g}. En fait on a exactement p_{++}K_{g} = Ker P S. Cela montre que p_{++}K_{g} est de codimension infinie dans K_{++}, mais fermé. Ainsi F_{g}^{∗} n’est pas un opérateur de Fredholm, mais le devient si on lui rajoute BR^{∗}.

9. Représentation π_{∞} pour A_{o}(Q)

– Pour faire de la KK-théorie, on a besoin de munir H_{∞} d’une représentation de S_{r}. Au vu de la définition de H_{∞}, l’idée naturelle est de faire agir S_{r} sur chaque étage (p_{k}⊗id)K_{+−}, d’envoyer le résultat dans H_{∞} à l’aide de P, puis de passer à la limite inductive. Pour cela, il faut que le résultat ne dépende pas de l’étage choisi. Soit ζ ∈ H_{∞} qui soit l’image de ζ_{l} ∈ (p_{l}⊗id)K_{+−}, ζ_{k} ∈ (p_{k}⊗id)K_{+−} et ζ_{k+1} ∈ (p_{k+1}⊗id)K_{+−}. On fait agir a ∈ S_{r} sur chacun de ces vecteurs et on envoie le résultat dans H_{∞} : on obtient des vecteurs ξ_{l}, ξ_{k}, ξ_{k+1} dans H_{∞}. S’il s’agissait du même vecteur de H_{∞}, on aurait un bon candidat pour π_{∞}(a)ζ, mais ce n’est pas le cas : on peut vérifier par le calcul que le diagramme qui relie l’étage k à l’étage k + 1 ne commute pas. Cependant, il commute de mieux en mieux lorsque k tend vers l’infini, et la suite ξ_{k} a une limite dans H_{∞} que l’on note π_{∞}(a)ζ.

– On peut vérifier que cela définit un opérateur borné π_{∞}(a), et que l’on obtient ainsi une représentation de S, et même de S_{r}, sur H_{∞}. Avec tous les calculs déjà faits, il n’est pas très dur de voir que de plus R commute aux actions de S_{r} sur K_{++} et H_{∞}. On obtient donc un élément de KK-théorie, γ ∈ KKŜ(ℂ, ℂ), en considérant l’opérateur de Fredholm F_{g}^{∗} + BR^{∗} : K_{g} ⊕ H_{∞} → H.