A simple simulation of quantum like behavior with a classical oscillator / Einfache Simulation von Quantensystemen mittels eines klassischen Oszillator
Since years a classical oscillator is known representing fundamental properties of quantum mechanical systems without the use of the demanding mathematics of quantum theory. This allows to develop an intuitive notion in introductory quantum theory lessons in high school and university. Spontaneous and stimulated emission, quantization and collapse of the oscillator in analogy to the collapse of the wave function and the probability interpretation are clearly demonstrated, The simulation of the oscillator with the GNU Octave software and the related code are presented. ---- Seit Jahren ist ein klassischer Oszillator bekannt, der es erlaubt einige grundlegende Eigenschaften von quantenmechanischen Systemen darzustellen, ohne die anspruchsvolle Mathematik der Quantenmechanik benutzen zu müssen. Dadurch ist es möglich in der Schule und Hochschule in Kursen zur Einführung in die Quantenmechanik eine intuitive Vorstellung zur Quantenmechanik zu entwickeln und Eigenschafen wie spontane und stimulierte Emission, Quantisierung und Kollaps des Oszillator analog zum Kollaps der Wellenfunktion sowie die zwanglose Einführung der Wahrscheinlichkeitsinterpretation anschaulich darzustellen. Die Simulation des Oszillator mittels der GNU Octave Software und dem zugehörigen Quelltext wird gezeigt.
Since years a classical oscillator is known representing fundamental properties of quantum mechanical systems without the use of the demanding mathematics of quantum theory. This allows to develop an intuitive notion in introductory quantum theory lessons in high school and university. Spontaneous and stimulated emission, quantization and collapse of the oscillator in analogy to the collapse of the wave function and the probability interpretation are clearly demonstrated, The simulation of the oscillator with the GNU Octave software and the related code are presented. ---- Seit Jahren ist ein klassischer Oszillator bekannt, der es erlaubt einige grundlegende Eigenschaften von quantenmechanischen Systemen darzustellen, ohne die anspruchsvolle Mathematik der Quantenmechanik benutzen zu müssen. Dadurch ist es möglich in der Schule und Hochschule in Kursen zur Einführung in die Quantenmechanik eine intuitive Vorstellung zur Quantenmechanik zu entwickeln und Eigenschafen wie spontane und stimulierte Emission, Quantisierung und Kollaps des Oszillator analog zum Kollaps der Wellenfunktion sowie die zwanglose Einführung der Wahrscheinlichkeitsinterpretation anschaulich darzustellen. Die Simulation des Oszillator mittels der GNU Octave Software und dem zugehörigen Quelltext wird gezeigt.
Some of the most enduring questions in physics--including the quantum measurement problem and the quantization of gravity--involve the interaction of a quantum system with a classical environment. Two linearly coupled harmonic oscillators provide a simple, exactly soluble model for exploring such interaction. Even the ground state of a pair of identical oscillators exhibits effects on the quantum nature of one oscillator, e.g., a diminution of position uncertainty, and an increase in momentum uncertainty and uncertainty product, from their unperturbed values. Interaction between quantum and classical oscillators is simulated by constructing a quantum state with one oscillator initially in its ground state, the other in a coherent or Glauber state. The subsequent wave function for this state is calculated exactly, both for identical and distinct oscillators. The reduced probability distribution for the quantum oscillator, and its position and momentum expectation values and uncertainties, are obtained from this wave function. The oscillator acquires an oscillation amplitude corresponding to a beating between the normal modes of the system; the behavior of the position and momentum uncertainties can become quite complicated. For oscillators with equal unperturbed frequencies, i.e., at resonance, the uncertainties exhibit a time-dependent quantum squeezing which can be extreme.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Quantenmechanik und dem klassischen Grenzfall von n-Niveau-Atomen mit kollektiver Wechselwirkung. Der klassische Grenzfall wird erreicht, wenn die Anzahl der Atome gegen unendlich geht. Die makroskopischen Observablen von kollektiv wechselwirkenden n-Niveau-Atomen sind die Besetzungszahlen der Niveaus und die Kohärenzen, die durch Operatoren beschrieben werden, die jeweils ein Niveau in ein anderes uberf uhren. Diese makroskopischen Observablen haben die gleichen Vertauschungsrelationen wie die Erzeuger der Lie-Gruppe SUn . Die Lie-Gruppe SUn spielt eine große Rolle sowohl für die quantenmechanische Dynamik als auch für den klassischen Grenzfall. Nach der Einführung in die bekannte quantenmechanische Beschreibung von n-Niveau-Atomen, der zugehörigen makroskopischen Observablen und der Hilbert-Räume werden kohärente Zustände definiert, die eng mit der Lie-Gruppe SUn verknüpft sind. Die generelle Struktur der kohärenten Zustände und des klassischen Grenzfalles sind seit längerem bekannt. Um die Eigenschaften der kohärenten Zustände explizit anzugeben, werden in dieser Arbeit einige Enflechtungs- und Umordnungstheoreme bewiesen. Unter Verwendung kohärenter Zustände wird dann der klassische Grenzfall unendlich vieler n-Niveau-Atome behandelt, bei dem die Heisenberg-Gleichungen für quantenmechanische operatorwertige Observablen in die Hamiltonschen Gleichungen der klassischen Mechanik übergehen. Kollektiv gekoppelte n-Niveau-Atome haben einen kompakten klassischen Phasenraum und daher quantenmechanisch einen Hilbert-Raum mit endlicher Dimension. Damit eignen sich diese Systeme sehr gut für Untersuchungen von quantenmechanischen Signaturen von Chaos und Integrabilität. Der Fall n = 2 ist in dieser Hinsicht bereits sehr gut untersucht worden. Der klassische Phasenraum ist in diesem Fall zweidimensional (die Oberfläche einer Kugel), so daß chaotische Dynamik nur dann möglich ist, wenn das System periodisch getrieben wird. Will man Chaos in einer autonomen Dynamik von n-Niveau-Atomen finden, muß man den Fall n >= 3 betrachten. Diese Systeme besitzen in ihrer Struktur zusätzlichen Reichtum gegenüber n = 2. Für n = 3 ist die Dimension des klassischen Phasenraums entweder vier oder sechs. Bei den verschiedenen Routen zum klassischen Grenzfall und den sich daraus ergebenden verschiedenen Dimensionen des klassischen Phasenraums stellt sich die Frage, ob es möglich ist, einen Hamilton-Operator zu konstruieren, der neben der Energie noch genau eine weitere Bewegungskonstante hat, so daß die klassische Dynamik im vierdimensionalen Phasenraum integrabel ist, jedoch nichtintegrabel wird, wenn der klassische Grenzfall in einem sechsdimensionalen Phasenraum vollzogen wird. Einige Beispiele für solche Hamilton-Operatoren werden in dieser Arbeit angegeben und die quantenmechanischen Signaturen von Chaos und Integrabilität werden untersucht. Auf die Niveaudynamik für einparametrige Familien von Hamilton-Operatoren H(--) wird ebenfalls eingegangen. Dabei wird eine ausführliche Diskussion des Status von deutlich vermiedenen und von echten oder schwach vermiedenen Kreuzungen im chaotischen und integrablen Regime durchgeführt. Im abschließenden Kapitel wird eine semiklassische Methode zur Bestimmung des Spektrums untersucht. Üblicherweise bestimmt man das Spektrum semiklassisch uber die von M. C. Gutzwiller entdeckte Spurformel für die Niveaudichte. In die Gutzwillersche Spurformel geht eine Summe uber alle periodischen Bahnen einer gegebenen Energie ein. Die Summe über alle periodischen Bahnen birgt jedoch erhebliche Schwierigkeiten. So wächst die Anzahl der periodischen Bahnen bei chaotischer Dynamik exponentiell mit der Länge der Periode { man spricht von exponentieller Proliferation. Damit ist einerseits die Konvergenz in Frage gestellt, andererseits ist es numerisch nicht lösbares Problem, alle periodischen Bahnen zu finden. Es ist bekannt, daß man nicht alle periodischen Bahnen braucht, um das Spektrum aufzulösen, sondern nur alle periodischen Bahnen, deren Periode kürzer ist als die sogenannte Heisenberg-Zeit fi H . Die Heisenberg-Zeit ist durch die mittlere Niveaudichte j bestimmt. Damit gehen nur endlich viele periodische Bahnen in die semiklassische Spurformel ein. Im allgemeinen bleibt es jedoch auch dann äußerst aufwendig (wenn nicht unmöglich), alle notwendigen periodischen Bahnen numerisch zu finden. Eine effizientere Methode für die semiklassische Bestimmung des Spektrums könnte darin bestehen, das Spektrum eines autonomen Systems aus der semiklassischen Spur des zeitabhängigen Propagators u(t) = P k exp( ~ ) zu bestimmen. Im Prinzip braucht man in einem N-dimensionalen Hilbert-Raum die Spur des Propagators u(t) nur an N 2 Fußpunkten t k bestimmen, um alle Informationen über das Spektrum zu besitzen. Es stellt sich die Frage, wie groß die Zeiten t k tatsächlich dann gewählt werden muß. Diese Methode wird am Beispielsystem zweier gekoppelter Drehimpulsvektoren untersucht. In dieser Arbeit konnte nur die Durchführbarkeit der semiklassischen Methode gezeigt werden. Die Untersuchung der Effizienz verlangt nach anderen Systemen, für die es einfacher ist, die periodischen Bahnen aufzufinden.
In a previous paper [J. S. Briggs and A. Eisfeld, Phys. Rev. A 85, 052111 (2012)] we showed that the time development of the complex amplitudes of N coupled quantum states can be mapped by the time development of positions and velocities of N coupled classical oscillators. Here we examine to what extent this mapping can be realized to simulate the ``quantum,'' properties of entanglement and qubit manipulation. By working through specific examples, e.g., of quantum gate operation, we seek to illuminate quantum and classical differences which hitherto have been treated more mathematically. In addition, we show that important quantum coupled phenomena, such as the Landau-Zener transition and the occurrence of Fano resonances can be simulated by classical oscillators.
In dieser Arbeit wird mit Hilfe rein klassischer Mittel ein Modell des Bouncer-Walker Systems eines elementaren Teilchens konstruiert, das zugleich die alte Idee de Broglies, des Welle-Teilchen Dualismus, widerspiegelt. Dieses Modell beinhaltet einerseits eine mögliche Erklärung des Energieaustausches zwischen diesen separierten Bewegungen und somit eine Begründung für die Energiequantelung wie ursprünglich von Max Planck postuliert. Andererseits erlaubt das Modell die präzise Ausführung der bohmschen Bewegungen in perfekter Übereinstimmung mit der Quantenmechanik. Zur Berechnung quantenmechanischer Teilchenbahnen im Ein- oder Mehrspaltsystem eignet sich die ballistische Diffusionsgleichung, eine spezielle Form der Diffusionsgleichung mit zeitabhängiger Diffusivität. Dies macht es möglich, wie hier gezeigt werden soll, den Zerfall eines gaußschen Wellenpakets auf elegante Weise zu simulieren. Mit diesen Instrumenten wird in dieser Arbeit schließlich eine Rechenvorschrift zur Behandlung der auftretenden Ströme entwickelt, die äquivalent zur de Broglie-Bohm Theorie bleibt. Damit lassen sich Talbot-Muster und die Talbot-Distanz für beliebige Mehrspaltsysteme elegant reproduzieren. Bei großen Unterschieden der Intensitäten in Doppelspaltexperimenten wird der Strahl geringer Intensität nach außen gedrückt und trotz anfänglich senkrechter Bewegung aus dem Spalt der Schirm seitlich von der Austrittsstelle getroffen. In dieser Arbeit wird die seitliche Anordnung des Schirms als mögliche alternative Messmethode untersucht. Schließlich werden die mathematischen Simulationsverfahren, deren Limitierungen und mögliche Erweiterungen vorgestellt. Entkoppelt von der Diffusion lässt sich die Wirkung und somit die Phase als eine neue Quantität einer Gaußverteilung berechnen. Für ein Mehrspaltsystem genügt es in Folge, die Phasen zu kombinieren um die korrekte Intensitätsverteilung sowie die zugehörigen Wahrscheinlichkeitsströme zu erhalten. Die Entkopplung erlaubt überdies die Berechnung variabler Spaltbreiten sowie Phasenverschiebung auf einfache Weise.
Quanteninformationstheorie untersucht die Möglichkeiten mit Quantensystemen Information zu verarbeiten. Die ungewöhnlichen Eigenschaften der Quantenmechanik, wie beispielsweise Superposition und Verschränkung, erlauben neue Wege der Informationsverarbeitung, die in klassischen Theorien nicht denkbar wären. In den letzten Jahren wurden diese besonderen Quanteneffekte dazu genutzt, um außergewöhnliche Resultate, wie zum Beispiel Quantencomputer, Quantenkryptographie und Quantenkommunikation, zu erreichen. Das Feld der Quantenkommunikation erforscht die Prinzipien der Quantenmechanik, um bestimmte Aufgaben und Protokolle zu realisieren, die mit klassischen Ressourcen unmöglich wären. Im Allgemeinen ist Kommunikation der Prozess bei dem eine Nachricht von einem Sender zu einem Empfänger übermittelt wird. Solch ein Vorgang benötigt die Kodierung der zu sendenden Information auf einem Signalträger (elektromagnetische Wellen, Spannung, mechanische Wellen, etc.), der den Gesetzen der Physik gehorcht. Aus dieser Perspektive ermöglicht die Quantenmechanik mit ihren der Intuition widersprechenden Prinzipien einen völlig neuen Rahmen für Kommunikationstheorie und Informationsverarbeitung. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Modell der Kommunikation mit beschränkten Ressourcen (gemessen an der Anzahl an Informationsträgern) und endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit zu untersuchen. Wir zeigen, dass Kommunikation, welche die obigen Restriktionen erfüllt, für klassische Systeme grundlegenden Schranken gehorcht. Im Gegensatz dazu können diese klassischen Barrieren durch Quanteneffekte überwunden werden. Tatsächlich kann Quantenkommunikation mit nur einem Teilchen in räumlicher Superposition und mit endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit zu „Mehrwegkommunikation“ führen, was mit rein klassischen Ressourcen unmöglich wäre. Im Kontext von Mehrspieler Kommunikationsspielen zeigen wir einerseits, dass für klassische Theorien die Gewinnwahrscheinlichkeit immer unter Eins liegt und mit der Anzahl der Spieler monoton sinkt. Andererseits erlaubt Kommunikation mittels eines Quantenteilchens in Superposition verschiedener Aufenthaltsorte das Spiel unabhängig von der Anzahl der Spieler immer mit Sicherheit zu gewinnen. Dieses Protokoll wird explizit für zwei, drei und fünf Parteien charakterisiert und danach für eine beliebige Anzahl an Spielern verallgemeinert. Des Weiteren schlagen wir eine mögliche experimentelle Implementation mit einzelnen Photonen für ein Spiel mit drei Parteien vor.
As the title aptly states, this book deals with harmonic oscillators of various kinds, from classical mechanical and electrical oscillations up to quantum oscillations. It is written in a lively language, and occasional interspersed anecdotes make the reading of an otherwise mathematically oriented text quite a pleasure. Although the author claims to have written an `elementary introduction', it is certainly necessary to have a good deal of previous knowledge in physics (mechanics, electrodynamics, quantum theory), electrical engineering and, of course, mathematics in order to follow the general line of his arguments. The book begins with a thorough treatment of classical oscillators (free, damped, forced) that is followed by an elaboration on Fourier analysis. Lagrange and Hamilton formalisms are then introduced before the problem of coupled oscillations is attacked. A chapter on statistical perspectives leads over to the final discussion of quantum oscillations. With the book comes a diskette containing a number of worksheets (Microsoft Excel) that can be used by the reader for instant visualization to get a better qualitative and quantitative understanding of the material. To the reviewer it seems difficult to pinpoint exactly the range of prospective readership of the book. It can certainly not be intended as a textbook for students, but rather as a reference book for teachers of physics or researchers, who want to look up one or other aspect of harmonic oscillations, for which purpose the diskette represents a very valuable tool.