Die Coupled-Cluster Methode (CCM) ist eine maechtige Methode, um quantenmechanische Vielteilchenprobleme zu loesen. Ihre ueblichen Anwendungsgebiete sind Systeme mit diskreten Zustaenden, etwa in Quantenchemie, Kernphysik und Quantenmagnetismus. In Systemen mit kontinuierlichen Zustaenden wird die Methode dagegen nur selten angewandt. Wir wenden die CCM auf das Anderson Modell an, ein kontinuierliches Modell aus der Festkoerperphysik, das magnetische Stoerstellen in Fermiseen beschreibt. Wir beginnen mit einer nichtwechselwirkenden Version, dem Fano Anderson Modell, und loesen es mit der CCM exakt. Dann wenden wir die CCM auf wechselwirkende Modelle an, zuerst auf das Anderson Modell mit eingeschalteter Wechselwirkung, und dann auf das periodische Anderson Modell, das sich aus vielen Anderson Modellen zusammensetzt. Zum Vergleich stellen wir andere, konventionellere, Methoden vor, hauptsaechlich verschiedene Arten von Stoerungsrechnung. Unsere Ergebnisse bestaetigen, dass die CCM maechtiger ist als die anderen Methoden. Berechnung mit der CCM ist zwar aufwaendiger, aber einmal durchgefuehrt, koennen sie flexibel und ohne grossen Mehraufwand auf andere Modelle uebertragen werden.
Die Coupled-Cluster Methode (CCM) ist eine maechtige Methode, um quantenmechanische Vielteilchenprobleme zu loesen. Ihre ueblichen Anwendungsgebiete sind Systeme mit diskreten Zustaenden, etwa in Quantenchemie, Kernphysik und Quantenmagnetismus. In Systemen mit kontinuierlichen Zustaenden wird die Methode dagegen nur selten angewandt. Wir wenden die CCM auf das Anderson Modell an, ein kontinuierliches Modell aus der Festkoerperphysik, das magnetische Stoerstellen in Fermiseen beschreibt. Wir beginnen mit einer nichtwechselwirkenden Version, dem Fano Anderson Modell, und loesen es mit der CCM exakt. Dann wenden wir die CCM auf wechselwirkende Modelle an, zuerst auf das Anderson Modell mit eingeschalteter Wechselwirkung, und dann auf das periodische Anderson Modell, das sich aus vielen Anderson Modellen zusammensetzt. Zum Vergleich stellen wir andere, konventionellere, Methoden vor, hauptsaechlich verschiedene Arten von Stoerungsrechnung. Unsere Ergebnisse bestaetigen, dass die CCM maechtiger ist als die anderen Methoden. Berechnung mit der CCM ist zwar aufwaendiger, aber einmal durchgefuehrt, koennen sie flexibel und ohne grossen Mehraufwand auf andere Modelle uebertragen werden.
In dieser Arbeit werden Linked-Cluster Entwicklungen weiterentwickelt und auf verschiedene Hubbard- und Spinmodelle bei Temperatur T=0 angewendet. Die Spinmodelle können dabei als effektive Beschreibung der isolierenden Mottphase von Hubbardmodellen angesehen werden. In den meisten Fällen sind die verwendeten Linked-Cluster Entwicklungen nichtperturbative Varianten, welche physikalische Größen auf einzelnen Graphen mit nichtperturbativen Methoden wie kontinuierlichen unitären Transformationen oder exakter Diagonalisierung berechnen, um Resultate im thermodynamischen Limes zu erhalten. Das halbgefüllte Hubbardmodell auf einer Einparameterfamilie von flussgefüllten Quadratgittern besteht aus einem anisotropen Parameter, welcher zwischen dem Grenzfall isolierter Dimere und dem isotropen Quadratgitter interpoliert. Es stellt sich heraus, dass das Grundzustandsphasendiagramm aus vier Phasen besteht: Einem Halbmetall und einem Bandisolator für schwache Wechselwirkungen sowie einer Néelphase und einem Valenzbondkristall bei starken Wechselwirkungen. Alle Ergebnisse sind entlang der gesamten Parameterachse konsistent mit der Abwesenheit einer Spinflüssigkeitsphase. Das Phasendiagramm wird durch eine Kombination von Quanten-Monte-Carlo-Rechnungen und kontinuierlichen unitären Transformationen bestimmt. Dabei werden die kontinuierlichen unitären Transformationen in zwei Schritten durchgeführt: Zuerst werden nichtperturbative graphenbasierte kontinuierliche unitäre Transformationen verwendet, um effektive Quantenspinmodelle für die Mottphase abzuleiten. Im Anschluss daran werden diese Spinmodelle innerhalb des Valenzbondkristalls mit perturbativen kontinuierlichen unitären Transformationen analysiert, indem die Triplonlücke bestimmt und der Zusammenbruch des Valenzbondkristalls untersucht wird. Kürzliche Studien haben Hinweise für die Existenz einer nichtmagnetischen isolierenden Phase innerhalb der Mottphase des halbgefüllten Hubbardmodells auf dem Pi-Fluss Dreiecksgitter gefunden. In dieser Arbeit wird mit perturbativen kontinuierlichen unitären Transformationen ein effektives Spinmodell für dieses Hubbardmodell abgeleitet. Die Analyse der effektiven Spinmodelle mittels exakter Diagonalisierung zeigt keine Anzeichen für die Existenz einer solchen exotischen Phase. Abschließend wird in dieser Arbeit ein generisches Schema zur Durchführung von nichtperturbativen Linked-Cluster Entwicklungen in langreichweitig geordneten Quantenphasen vorgestellt. Dieses Schema geht über das Paradigma der normalen nichtperturbativen Linked-Cluster Entwicklungen hinaus und erweitert diese, sodass eine Berechnung um einen geordneten Referenzzustand durchgeführt werden kann. Die Cluster werden dann, als von diesem Referenzzustand umgeben, betrachtet, wodurch sich Randfelder ergeben, welche die mit der Ordnung assoziierte Symmetrie brechen. Das Einbeziehen dieser Randfelder in der exakten Diagonalisierung auf den einzelnen Graphen, führt -- selbst für langreichweitig magnetisch geordnete Phasen mit lückenlosen Anregungen, bei denen die divergierende Korrelationslänge üblicherweise die Anwendung von nichtperturbativen Linked-Cluster Entwicklungen verhindert -- zu einem monotonen Konvergenzverhalten. Weiterhin wird das Skalierungsverhalten der Datensequenzen zu unendlichen Ordnungen untersucht. Dabei werden unterschiedliche Graphenentwicklungen angewendet, welche eine volle Graphenentwicklung sowie Entwicklungen in rechteckigen und symmetrischeren quadratischeren Clustern beinhalten. Das Schema wird auf das Spin-1/2 und Spin-1 Heisenbergmodell auf dem Quadrat- und Dreiecksgitter, welche beide einen langreichweitig magnetisch geordneten Grundzustand mit lückenlosen Spinwellenanregungen aufweisen, sowie auf das Spin-1 Heisenbergmodell auf dem Kagomegitter, welches einen spontan trimerisierten lückenbehafteten Grundzustand besitzt, angewendet.
Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Kombination verschiedener numerischer Methoden, sowie deren Anwendung auf Probleme stark korrelierter Elektronensysteme. Solche Materialien zeigen viele interessante physikalische Eigenschaften, wie z.B. Supraleitung und magnetische Ordnung und spielen eine bedeutende Rolle in technischen Anwendungen. Es werden zwei verschiedene Modelle behandelt: das Hubbard-Modell und das Kondo-Gitter-Modell (KLM). In den letzten Jahrzehnten konnten bereits viele Erkenntnisse durch die numerische Lösung dieser Modelle gewonnen werden. Dennoch bleibt der physikalische Ursprung vieler Effekte verborgen. Grund dafür ist die Beschränkung aktueller Methoden auf bestimmte Parameterbereiche. Eine der stärksten Einschränkungen ist das Fehlen effizienter Algorithmen für tiefe Temperaturen.rnrnBasierend auf dem Blankenbecler-Scalapino-Sugar Quanten-Monte-Carlo (BSS-QMC) Algorithmus präsentieren wir eine numerisch exakte Methode, die das Hubbard-Modell und das KLM effizient bei sehr tiefen Temperaturen löst. Diese Methode wird auf den Mott-Übergang im zweidimensionalen Hubbard-Modell angewendet. Im Gegensatz zu früheren Studien können wir einen Mott-Übergang bei endlichen Temperaturen und endlichen Wechselwirkungen klar ausschließen.rnrnAuf der Basis dieses exakten BSS-QMC Algorithmus, haben wir einen Störstellenlöser für die dynamische Molekularfeld Theorie (DMFT) sowie ihre Cluster Erweiterungen (CDMFT) entwickelt. Die DMFT ist die vorherrschende Theorie stark korrelierter Systeme, bei denen übliche Bandstrukturrechnungen versagen. Eine Hauptlimitation ist dabei die Verfügbarkeit effizienter Störstellenlöser für das intrinsische Quantenproblem. Der in dieser Arbeit entwickelte Algorithmus hat das gleiche überlegene Skalierungsverhalten mit der inversen Temperatur wie BSS-QMC. Wir untersuchen den Mott-Übergang im Rahmen der DMFT und analysieren den Einfluss von systematischen Fehlern auf diesen Übergang.rnrnEin weiteres prominentes Thema ist die Vernachlässigung von nicht-lokalen Wechselwirkungen in der DMFT. Hierzu kombinieren wir direkte BSS-QMC Gitterrechnungen mit CDMFT für das halb gefüllte zweidimensionale anisotrope Hubbard Modell, das dotierte Hubbard Modell und das KLM. Die Ergebnisse für die verschiedenen Modelle unterscheiden sich stark: während nicht-lokale Korrelationen eine wichtige Rolle im zweidimensionalen (anisotropen) Modell spielen, ist in der paramagnetischen Phase die Impulsabhängigkeit der Selbstenergie für stark dotierte Systeme und für das KLM deutlich schwächer. Eine bemerkenswerte Erkenntnis ist, dass die Selbstenergie sich durch die nicht-wechselwirkende Dispersion parametrisieren lässt. Die spezielle Struktur der Selbstenergie im Impulsraum kann sehr nützlich für die Klassifizierung von elektronischen Korrelationseffekten sein und öffnet den Weg für die Entwicklung neuer Schemata über die Grenzen der DMFT hinaus.
In dieser Arbeit präsentieren wir einen Ansatz, mit dem die Sicherheit von Protokollen für multi-party-computations (MPC) verbessert werden kann. Dafür gehen wir davon aus, dass Protokollteilnehmer aus mehreren Geräten mit unterschiedlicher Zusammensetzung von Hardware, Software und Betriebssystemen bestehen. Dies wird als diverse Redundanz bezeichnet. Dazu wird die Annahme getroffen, dass redundante Geräte aufgrund ihres unterschiedlichen Aufbaus nicht alle gleichzeitig korrumpiert werden können. Auf dieser Basis konstruieren wir ein MPC Protokoll, das sicher bleibt, selbst wenn die letzte ehrlich Partei teilweise korrumpiert wird. Um die Annahme formal zu beschreiben, schlagen wir ein Korruptionsmodell vor, das zwei unterschiedliche Typen von Korruptionen vorsieht. Um Angriffe über physikalischen Zugriff auf Geräte zu beschreiben, wird der übliche aktive Angriff benutzt. Angriffe über das Netzwerk werden jedoch eingeschränkt, um zu modellieren, dass solche Angriffe auf vorhandene Sicherheitslücken angewiesen sind. Wenn Systeme in diverser Redundanz vorliegen, ist es unwahrscheinlich, dass sie alle zur selben Zeit Sicherheitslücken aufweisen. Dieser Ansatz wird in der praktischen IT-Sicherheit bereits eingesetzt, wurde, so weit wir wissen, aber noch nicht verwendet, um formale Sicherheitsgarantien zu geben. Viele kryptographische Protokolle machen (implizit) die Annahme, dass jede Partei aus nur einem physikalischen Gerät besteht. Deshalb wird eine Partei dann entweder vollständig korrumpiert oder bleibt komplett ehrlich. Deshalb ist es für unsere Zwecke notwendig, Parteien in mehrere Geräte aufzuteilen. Diese Geräte führen dann ein Protokoll aus, mit dem eine ganze Partei realisiert wird. Um wichtige Stellen zu schützen, an denen die ganze Partei auf einmal korrumpiert werden könnte, setzen wir das MPC Protokoll SPDZ [Dam+13] ein. Hier nutzen wir aus, dass SPDZ nur innerhalb einer Partei eingesetzt wird. Hier vertrauen sich die Geräte, zumindest zu Beginn, bevor Korruptionen stattfinden können. Dieses initiale Vertrauen erlaubt es, den aufwändigsten Teil von SPDZ, die Vorverarbeitungsphase, zu überspringen. Dieser Ansatz verursacht linearen zusätzlichen Aufwand im Vergleich zu herkömmlichen Protokollen. Dafür wird sichergestellt, dass Parteien, die bis zu einem Viertel ihrer Geräte aufgrund von Korruptionen verlieren, weiter als ehrliche Parteien am Protokoll teilnehmen können. Außerdem bleibt ihre Ein- und Ausgabe geheim.
In dieser Arbeit werden Algorithmen für die Berechnung elektronischer Korrelations- und Anregungsenergien mittels der Coupled-Cluster Methode auf adaptiven Gittern entwickelt und implementiert. Die jeweiligen Funktionen und Operatoren werden adaptiv durch Multiskalenanalyse dargestellt, was eine Basissatz unabängige Beschreibung mit kontrollierter numerischer Genauigkeit ermöglicht. Gleichungen für die Coupled-Cluster Methode werden in einem verallgemeinerten Rahmen, unabhängig von virtuellen Orbitalen und globalen Basissätzen, neu formuliert. Hierzu werden die amplitudengewichteten Anregungen in virtuelle Orbitale ersetzt durch Anregungen in n-Elektronenfunktionen, welche durch Gleichungen im n-Elektronen Ortsraum bestimmt sind. Die erhaltenen Gleichungen können, analog zur Basissatz abh¨angigen Form, mit leicht angepasster Interpretation diagrammatisch dargestellt werden. Aufgrund des singulären Coulomb Potentials werden die Arbeitsgleichungen mit einem explizit korrelierten Ansatz regularisiert. Coupled-Cluster singles mit genäherten doubles (CC2) und ähnliche Modelle werden, für geschlossenschalige Systeme und in regularisierter Form, in die MADNESS Bibliothek (eine allgemeine Bibliothek zur Darstellung von Funktionen und Operatoren mittels Multiskalenanalyse) implementiert. Mit der vorgestellten Methode können elektronische CC2 Paarkorrelationsenergien und Anregungsenergien mit bestimmter numerischer Genauigkeit unabhängig von globalen Basissätzen berechnet werden, was anhand von kleinen Molekülen verifiziert wird
Simulation oder Rechnung? Nur zu oft stellt sich diese Frage bei einer Vielfalt von Problemstellungen im technischen und naturwissenschaftlichen Bereich. Nehmen wir etwa den wichtigen Fall, dass die Aerodynamik eines Autos oder Flugzeugs optimiert werden soll. Auf Supercomputern können wir diese Eigenschaften mithilfe von Finite-Elemente-Methoden versuchen vorherzusagen – und das mit großem Erfolg! Trotzdem verzichten wir auch heute nicht darauf, die realen Modelle der Fahrzeuge im Windkanal zu testen. Warum? Die komplexen Rechnungen der Strömungsmechanik, die zahlreiche Näherungsmethoden beinhalten, müssen überprüft und weiter optimiert werden – es geht in vielen Fällen ja auch um besondere Sicherheitsaspekte, die genau validiert sein wollen. Bei Aufgabenstellungen aus der Quantenphysik ist die Problematik oft noch viel komplexer. Systeme aus vielen Quantenteilchen – Elektronen, Neutronen, Protonen, Atomen etc. – machen einen Großteil unserer Umwelt aus. Ein besonderes Problem liegt darin, dass in der Quantenphysik ein System in einer Überlagerung verschiedener Konfigurationen vorliegen kann. Stellen Sie sich eine Festplatte vor, in der die N Bits Ihrer Dateien in der Ausrichtung einzelner winziger Elementarmagnete gespeichert sind. Zeigt der Magnet in eine Richtung, entspricht dies einer logischen 0, zeigt er in die entgegengesetzte Richtung, so entspricht dies einer logischen 1. Auf Ihrer Festplatte liegt genau eine der 2N möglichen Konfigurationen vor, welche die gesamten Daten ihres Computers abbildet. Was bei Feynman noch Fantasie war, ist heute Realität In einem entsprechenden Quantensystem aus N Magneten können jedoch alle diese Konfigurationen gleichzeitig präsent sein. Also benötigen wir für ein System von N Elementarmagneten 2N komplexe Zahlen, um allein den Zustand dieses Systems aufzuschreiben und abzuspeichern. Schon für eine kleine Zahl von nur 300 Magneten bräuchten wir dazu einen Computer, der mehr Speicherplätze enthält, als wir heute die Menge an gesamter sichtbarer Materie im Universum abschätzen! Sehr schnell wird dies also mit steigender Systemgröße zu einer unmöglichen Aufgabe. Wir müssen also zwangsweise versuchen, hierfür effiziente Näherungsmethoden zu entwickeln, um dieses Problem auf klassischen Computern zu berechnen. Oft stellt sich dabei aber das gleiche Problem wie in der Strömungsmechanik: Die Näherungsmethoden sind häufig empirisch, und man kennt die Grenzen ihrer Gültigkeit nicht sehr gut. Auch hier brauchen wir also eine natürliche Modellierung, mit der wir diese Rechenmethoden überprüfen können. Der amerikanische Nobelpreisträger Richard Feynman erkannte dies in einer wegweisenden Arbeit bereits im Jahre 1982. Dort argumentierte er, dass es in Zukunft wohl vorteilhaft sein werde, komplexe Quantensysteme durch andere, kontrollierbare Quantensysteme zu modellieren und zu berechnen: Die Idee des Quantensimulators und Quantencomputers war geboren. Was damals noch als Fantasie erschien, ist heute in zahlreichen Laboren weltweit Realität. Forscherinnen und Forscher entwerfen künstliche Quantensysteme, indem sie zum Beispiel Atome in Interferenzmustern aus Licht einfangen, um mit diesen das Verhalten von Elektronen in Festkörpern zu studieren. Das helle und dunkle Interferenzmuster aus Licht bildet dabei eine Kristallstruktur, in der die Atome über optische Dipolkräfte frei schwebend im Raum gefangen werden können. Der Abstand zwischen einzelnen Gitterplätzen dieses Kristalls ist dabei allerdings ungefähr 10 000 Mal größer als jener in einem echten Material; auf dieser Mikrometerskala können wir alles „Atom für Atom“ fotografieren und beobachten. Das „Sozialverhalten“ kann so genauestens und unter kontrollierten Bedingungen studiert werden. Robert Ott und Philipp Hauke beschreiben in dieser Ausgabe ab Seite 246 sogar noch weitergehende Möglichkeiten, mit denen erste Simulationen von hochkomplexen Phänomenen aus der Hochenergiephysik im Labor unter künstlichen Bedingungen gelingen. Eine spannende neue Richtung, die wegweisende neue Forschungsmöglichkeiten eröffnet! Auch wenn die bisherigen Quantensimulationen noch weitgehend auf klassischen Rechnern berechenbar sind, so lässt sich auch hier hoffen, dass wir schon bald in einen Bereich vorstoßen werden, wo dies nicht mehr der Fall sein wird und wir wissenschaftliches Neuland entdecken. Feynman sei Dank! Ich wünsche Ihnen viel Vergnügen bei der Lektüre. Immanuel Bloch ist Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, Professor für Experimentalphysik an der Ludwigs-Maximilians-Universität München und einer der Sprecher des Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST).