Kognitive Agenten mussen selbstandig Strukturen ihrer Umgebung aufdecken und fur die Verhaltenssteuerung nutzbar machen konnen. Um dieses Problem zu losen, manipuliert der Agent die Umgebungsobjekte, nimmt die Konsequenzen dieser Operationen wahr und bildet diese Vorgange in einem Modell der externen Realitat (innere Buhne) nach. Solch ein zyklisches Verhalten findet man sowohl beim Information-Retrieval mit Relevanz-Feedback als auch bei psychologischen Experimenten zur Konditionierung wieder. Als problematisch erweist sich dabei jedoch der Umgang mit unbestimmten Objekten und unbestimmten Konsequenzen. Diese Problemstellung muss insbesondere bei der Reprasentation von semantischen Objekten und den Operationen auf diesen Objekten berucksichtigt werden. Der in dieser Arbeit vorgestellte Losungsansatz verbindet Ansatze aus der Objekttyptheorie und dem mathematischen Formalismus der Quantenmechanik und zeigt die Modellierung der inneren Buhne an einem Beispiel.
Kognitive Agenten mussen selbstandig Strukturen ihrer Umgebung aufdecken und fur die Verhaltenssteuerung nutzbar machen konnen. Um dieses Problem zu losen, manipuliert der Agent die Umgebungsobjekte, nimmt die Konsequenzen dieser Operationen wahr und bildet diese Vorgange in einem Modell der externen Realitat (innere Buhne) nach. Solch ein zyklisches Verhalten findet man sowohl beim Information-Retrieval mit Relevanz-Feedback als auch bei psychologischen Experimenten zur Konditionierung wieder. Als problematisch erweist sich dabei jedoch der Umgang mit unbestimmten Objekten und unbestimmten Konsequenzen. Diese Problemstellung muss insbesondere bei der Reprasentation von semantischen Objekten und den Operationen auf diesen Objekten berucksichtigt werden. Der in dieser Arbeit vorgestellte Losungsansatz verbindet Ansatze aus der Objekttyptheorie und dem mathematischen Formalismus der Quantenmechanik und zeigt die Modellierung der inneren Buhne an einem Beispiel.
Ein wesentlicher Bestandteil kognitiver – und damit auch sprach-verarbeitender – Agentensysteme ist die Verhaltenssteuerung. Eine ihrer wichtigsten Aufgaben besteht darin, Entscheidungsprobleme, die in der Auseinandersetzung mit der physischen Umgebung eines Agenten auftreten, rational zu losen. Zunachst diskutieren wir die klassischen, nutzenbasierten Entscheidungsmodelle fur sequentielle- und episodische Umgebungen am Beispiel des Mouse-Maze-Problems. Zu letzteren gehoren die sogenannten konsummatorischen Endhandlungen, sie stehen im Mittelpunkt dieser Arbeit. Weil sich Entscheidungen bei Endhandlungen final auf die Lebensdauer des Agenten auswirken konnen, durfen Fehlleistungen und Tauschungen nur auserst selten auftreten. Aus diesem Grund stellen wir der rationalen Methode die psychologische Methode entgegen, die zusatz-lich auf der Einfuhrung von semantischen Kategorien beruht. Die dafur benotigten semantischen Reprasentationen modellieren wir nach einem quantenmechanischen Formalismus. Daraus leitet sich die zentrale Fragestellung dieser Arbeitab: Bietet die quantenmechanische Perspektive einen Mehrwert bei der Modellierung der konsummatorischen Endhandlung und lasst sich dieser Formalismus inden Perzeptions-Aktionszyklus (PAC) eines kognitiven Agenten einbetten.
Im ersten Abschnitt dieser Arbeit versuchen wir, die algebraische Struktur, welche im Rahmen der dissipativen Quantenmechanik unter Verwendung des Influenzfunktionals auftritt, herauszuarbeiten. Dies erlaubt uns einen tieferen Einblick in ansonsten unübersichtliche und langwierige Rechenschritte, speziell im Realzeitformalismus, und ermöglicht uns eine leichtere Identifikation der dabei auftretenden Terme und deren Ursprung aus dem zugrunde liegenden Modell als auch deren physikalische Bedeutung. Die verwendeten Methoden haben wir soweit als möglich in konsistenter und anschaulicher Form eingeführt, so dass diese Arbeit ohne spezielle Kenntnis des Gebietes der dissipativen Quantenmechanik gelesen werden kann. Besonderen Wert haben wir auf den Übergang von der quantenmechanischen auf die klassische Beschreibung von dissipativen Vorgängen gelegt, da ein Verständnis dieses Übergangs eine tiefere Einsicht in den Messprozess liefert. In der selben Weise ist damit auch der Übergang von der mikroskopischen - durch die Quantenmechanik beschriebenen - Welt in die makroskopische Welt verbunden, welche den Gesetzen der klassischen Mechanik folgt. Zusätzlich zeigen wir, wie die Resultate der Influenzfunktionalmethode stochastisch interpretiert werden können, was einen leichteren Vergleich mit der bekannten quantenmechanischen Zeitentwicklung durch die Schrödingergleichung erlaubt. Im weiteren betrachten wir die sogenannte Tight-Binding Näherung von Modellen, bei welchen sich der Hamiltonraum für die Systembeschreibung im wesentlichen durch diskrete Eigenzustände des Ortsoperators ausdrücken lässt und Übergänge zwischen diesen Zuständen unterdrückt sind, wodurch eine Propagation entweder durch ein Tunneln oder durch thermische Anregung erfolgt. Im Rahmen der dissipativen Quantenmechanik bringt diese Methode eine immense Vereinfachung in der effektiven Beschreibung des Systems, da Anstelle einer ganzen Historie von Systempfaden nur noch die Übergangszeiten mit den entsprechenden Übergängen berücksichtigt werden müssen. Im Bild des Pfadintegralformalismus bedeutet dies, dass Anstelle des Integrals über alle Systempfade ein Produkt von Integrationen über alle möglichen Sprungzeiten mit Sprunggewichten entsprechend des Übergangs rückt, welches analytisch als auch numerisch wesentlich einfacher handzuhaben ist. Innerhalb dieser Näherung wurden dadurch in der Vergangenheit viele beeindruckende analytische Resultate abgeleitet. Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit der Abbildung und dem Zusammenhang von dissipativen Modellen mit Feldmodellen aus der Quantenfeldtheorie und im besonderen der Feldtheorie statistischer Systeme. Der Reiz dieser Abbildungen liegt besonders darin, dass in den letztgenannten Gebieten schon seit Jahrzehnten sehr intensiv die grundlegenden Modelle bearbeitet wurden und vor allem auch nach neuen Methoden gesucht und Forschung dafür betrieben wurde und noch immer Gegenstand der aktuellen Forschung darstellt. Als Beispiel sei in zwei Dimensionen die Invarianz unter konformen Abbildungen genannt, welche immer dann Anwendung findet, wenn Systeme nur lokal wechselwirken und eine Invarianz unter lokaler Umskalierung der Felder zeigen. Bei statistischen Systemen mit lokaler Wechselwirkung zeigt sich dieses Verhalten immer beim Erreichen eines kritischen Punktes, da hier per Definition keine Längenskala ausgezeichnet ist. In zwei Dimensionen führt dies zu einer immensen Einschränkung der möglichen Form von Korrelationsfunktionen und hat zu dem eigenständigen Gebiet der Konformen Feldtheorie geführt, da konforme Abbildungen per Definition die lokale Struktur erhalten (Winkeltreue) und lokal nur zu einer Unskalierung führen. Während in D>2 Dimensionen nur endlich viele Generatoren für konforme Abbildungen existieren, ist deren Anzahl in 2 Dimensionen unendlich. Dies resultiert in einer unendlichen Anzahl von lokalen Erhaltungsgrößen mit den entsprechenden Folgen. Während solche Techniken sehr schnell unanschaulich werden, erlaubt die Abbildung auf dissipative Modelle hier oftmals eine sehr anschauliche Interpretation.
Charakteristische quantenmechanische Phänomene wie die Verschränkung werden oft als starker Bruch mit der klassischen Physik angesehen. Viele dieser scheinbaren Besonderheiten kommen jedoch nicht durch die zugrunde liegende physikalische Theorie zustande, sondern durch die Art, wie sie mathematisch beschrieben werden. In dieser Arbeit benutzen wir den Wigner–Weyl Formalismus, um sowohl die klassische Physik in der Sprache der Quantenphysik auszudrücken, als auch der Quantenmechanik eine klassische Beschreibung zuzuschreiben. Das erlaubt es uns, Artefakte, die rein aus der gewählten Beschreibung entspringen, von den zugrundeliegenden robusten Unterschieden zu trennen. Nach einer Darstellung der Dualität zwischen Phasenraum– und Hilbertraum–Beschreibung sowie einer Einführung in gaußsche kontinuierliche Variablen Systeme untersuchen wir, wie klassische Korrelationen im Phasenraum bei der Abbildung auf Operatoren scheinbare „Verschränkung“ erzeugen können. Daraus ergibt sich dann eine Hierarchie operativer Grenzen: Die Positivität des zugeordneten Operators trennt physikalisch zulässige Quantenzustände von nicht physikalischen, rein repräsentationsbedingten Artefakten. Innerhalb dieser positiven Zustände markiert die Negativität der Wigner–Funktion eine zweite Grenze zwischen klassisch reproduzierbaren und genuin nichtklassischen Zuständen. In diesem Kontext definieren wir repräsentative Verschränkung (Nichtseparierbarkeit trotz fehlender Positivität), hybride Verschränkung (echte Quantenkorrelationen, die jedoch klassisch imitiert werden können) und genuine Verschränkung jenseits dieses Bereichs. Ein zentrales Ergebnis ist, dass kovarianzbasierte (Verschränkungs–) Zeugen außerhalb des gaußschen Regimes ohne zusätzliche Positivitätsprüfungen irreführend sein können. Abschließend werden wir dieses System auf zeitliche Entwicklung in Protokollen zur „gravitationsvermittelten Verschränkung“ anwenden und dabei klassische und quantenmechanische Dynamik vergleichen. Dabei wird sichtbar gemacht, ab welcher Ordnung der Potenzialentwicklung relevante Unterschiede auftreten, und wie das Auftreten von Negativität in der klassischen Hilbertraum–Evolution als dynamischer Ursprung repräsentativer Verschränkung interpretiert werden kann.
Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die Untersuchung der unbestimmten Kausalstrukturen, die mit der Quantenmechanik kompatibel sind, mithilfe eines auf Quanteninformation basierendem Ansatzes. Es ist zu erwarten, dass in Bereichen wo Quantenmechanik und die allgemeine Relativitatstheorie relevant sind, die kausale Beziehung zwischen Ereignisse unbestimmt wird. Ein Beispiel fur solch unbestimmte Kausalstrukturen ist der sogenannte gravitative Quantenswitch, wo die kausale Abfolge zweier Ereignisse durch die raumliche superposition eines massiven Gegenstandes kontrolliert wird. Der Prozessmatrizenformalismus ist ein allgemeines Modell zur Beschreibung von Situationen, in denen die kausale Ordnung zwischen Quantenereignisse unbestimmt ist. Dieser Formalismus enthalt Prozesse, die bisher keine physikalische Interpretation haben und die, wenn sie existierten, sogenannte kausale Ungleichungen verletzen konnten.
Ein Aspekt dieser Arbeit ist die Untersuchung der informationstheorischen Eigenschaften von Prozessen mit unbestimmter Kausalitat, vor allem der Quantenkontrolle von kausaler Ordnung — wie es beim Quantenswitch der Fall ist. Wir zeigen wie, im Kontex von verteilter Berechnung, der Quantenswitch Vorteile im Vergleich zu einfachgerichteter Quantenkommunikation mit bestimmter kausaler Ordnung erbringen kann.
Genauer gesagt, wir definieren eine dreigeteilte Kommunikationsaufgabe fur welche die Quantenswitch exponentielle Reduktion an benotigten Qubits aufweist. Auserdem untersuchen wir Behauptungen, dass der Quantenswitch verbesserte Kommunikation durch verrauschten Kanalen ermoglicht. Wir stellen fest, dass diese Verbesserung jedoch nicht auf die unbestimmte kausale Ordnung zuruckzufuhren ist, sondern auf die Fahigkeit die Anwendung der Kanale koharent zu kontrollieren.
Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Frage nach der Realisierbarkeit von Prozessen mit unbestimmter Kausalitat. Angetrieben durch den Mangel an physikalischer Interpretation fur viele interessante Prozesse, entwickeln wir das Konzept des kausalen Bezugsystems. Dadurch konnen wir eine bestimmte Klasse von Prozessen — reine Prozesse — vom Standpunk eines der beteiligten Beobachter beschreiben. Dabei stellt sich heraus, dass fur einen in Ereignis A lokalisierten Beobachter, das Ereignis eines anderen Beobachters B generell zeitlich delokalisiert erscheint. Wir untersuchen die kausalen Bezugsysteme interessanter Prozessen mit unbestimmten Kausalstruktur, und machen dadurch einige Fortschritte auf dem Wege zum Verstandnis vom Unterschied zwischen solchen Prozessen und dem besser verstandenen Quantenswitch. Ein letzter Aspekt, den wir in dieser Arbeit betrachten, ist wie man aus bekannten Prozessen neuen machen kann — Kompositionsregeln. Wir beweisen, dass es keine parallele Kompositionsregel fur allgemeine Prozessmatrizen gibt, die einige vernunftig anmutende Axiome erfullt.
Low-Code-Plattformen reduzieren den erforderlichen manuellen Programmieraufwand bei der Entwicklung von Quantenanwendungen und erleichtern dadurch den Zugang zur Quantenprogrammierung. Für das Verständnis und die Bearbeitung von Quantenschaltungen ist jedoch weiterhin ein grundlegendes Verständnis der zugrunde liegenden mathematischen Zustandsentwicklung erforderlich. Dieses Wissen muss häufig unabhängig von der visuellen Modellierung, beispielsweise aus Lehrbüchern oder anderen Lernmaterialien, erschlossen werden. Dadurch bleiben die visuelle Darstellung einer Quantenschaltung und ihre mathematische Repräsentation konzeptionell voneinander getrennt. Insbesondere fehlt eine direkte Verbindung zwischen einzelnen Quantengattern und den daraus resultierenden mathematischen Zustandsänderungen. Die vorliegende Arbeit untersucht daher, wie eine Low-Code Plattform erweitert werden kann, um diese Verbindung herzustellen. Dazu wird das Modellierungswerkzeug Qonstruct um einen Mathemodus erweitert, der visuelle Schaltungselemente bidirektional mit den zugehörigen mathematischen Zwischenschritten in Dirac-Notation verknüpft. Dadurch soll es ermöglicht werden, die Auswirkungen einzelner Quantengatter sowohl ausgehend von der visuellen Schaltung als auch von der mathematischen Zustandsentwicklung nachzuvollziehen. Ergänzend werden eine Bloch-Sphäre, ein Messwahrscheinlichkeits-Histogramm, ein KI-gestützter Erklärmodus, eine hierarchische Gruppenmodellierung sowie Funktionen zur OpenQASM-Interoperabilität integriert. Die Entwicklung erfolgt in einem iterativen, nutzerzentrierten Vorgehen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Teilnehmenden mit Unterstützung des erweiterten Werkzeugs Aufgaben zu Quantenschaltungen erfolgreicher bearbeiten konnten als ohne Werkzeugunterstützung.
Alle bisher durchgeführten quantenmechanischen Experimente stimmen mit der Annahme überein, dass die Gesetze der Quantenmechanik auf jedes denkbare System anwendbar sind. Arbeitshypothese der vorliegenden Arbeit ist die Möglichkeit, diese Gesetze auf den Zeitbegriff auszudehnen, und damit auch auf die Art und Weise, in der zwei oder mehr Ereignisse sich gegenseitig kausal beeinflussen können. Dies hätte weitreichende Konsequenzen, da unser Verständnis der Welt auf der Erforschung kausaler Beziehungen zwischen physikalischen Phänomenen beruht. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Folgen der Anwendung der Quantenmechanik auf die kausalen Beziehungen zwischen Ereignissen und auf den thermodynamischen Zeitpfeil zu untersuchen. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit drei Studien, die unter den Begriff der ``unbestimmten Kausalität'' fallen, also der Vorstellung, dass die kausale Struktur zwischen Ereignissen in quantenmechanische Unbestimmtheit gelangen kann. (Es wird erwartet, dass ein solches Szenario in Systemen auftritt, für die sowohl die Quantenmechanik als auch die Allgemeine Relativitätstheorie relevant sind und in denen die Metrik und folglich die kausale Struktur ``fluktuieren'' kann). In quantenoptischen Experimenten können solche unbestimmten Kausalstrukturen durch Überlagerung von Trajektorien realisiert werden, entlang derer zwei Ereignisse in alternativen Ordnungen auftreten. In diesem Sinne bildet die erste Arbeit in der vorliegenden Dissertation den ersten experimentellen Nachweis der unbestimmten Kausalität eines Prozesses durch die Messung eines `kausalen Zeugen', d.h. eines mathematischen Objekts welches ein bestimmtes Ergebnis erzeugen soll, wenn ein Prozess nicht mit einer definierten kausalen Ordnung übereinstimmt. Anknüpfend an diese erste Studie bezieht sich die zweite Arbeit auf den experimentellen Nachweis einer unbestimmten Kausalität außerhalb des Quantenformalismus. Dies wird erreicht, indem die Unvereinbarkeit der experimentellen Ergebnisse mit einer Klasse verallgemeinerter probabilistischer Theorien gezeigt wird, in denen die Lokalität und definierte zeitliche Ordnungen vorausgesetzt werden. Die als Drittes vorgestellte Arbeit erweitert nunmehr mit der Untersuchung einer Vielzahl von Quantenüberlagerungen von Trajektorien den Beobachtungsbereich über das Konzept der unbestimmten Kausalität hinaus. Es zeigt sich, dass Trajektorien für die Quantensteuerung der Ordnung verschiedener verrauschter Kommunikationskanäle anwendbar sind. Dies bildet jedoch nicht die einzige Konfiguration, in der diese letzteren angeordnet werden können. So wurden in dieser dritten Arbeit verschiedene Möglichkeiten für die Überlagerung zweier Trajektorien durch ein Paar verrauschter Kanäle experimentell verglichen. Es wurde gezeigt, dass alle diese Möglichkeiten die Übertragung von Informationen durch die Kanäle selbst dann ermöglichen, wenn standardmäßige Quantenkommunikationsprotokolle (bei denen sich ein System entlang einer wohldefinierten Trajektorie bewegt) versagen. Der zweite Teil dieser Dissertation umfasst zwei Arbeiten, die sich auf das Gebiet der Quanten- Thermodynamik beziehen. Das Bindeglied zwischen diesem und dem vorherigen Teil der Arbeit findet sich im Konzept des thermodynamischen Zeitpfeils und seiner Richtungsabhängigkeit. Tatsächlich erlaubt es der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, eine positive (negative) Entropieänderung in einem thermodynamischen Prozess mit der zeitlichen ``Vorwärts-'' (``Zeitumkehrung'') Richtung zu assoziieren. So wird in der vierten Arbeit dieser Dissertation vorgeschlagen, dass die Quantenmechanik sogar Quantenüberlagerungen zwischen thermodynamischen Prozessen erlaubt, welche zwei entgegengesetzte Entropievariationen ergeben. Damit wird die Existenz von Prozessen mit einem unbestimmten Zeitpfeil ermöglicht. Im Detail konzentriert sich diese Arbeit auf die Frage, ob solche Überlagerungen beobachtbare Konsequenzen haben und wie eine wohldefinierte Zeitachse entsteht, wenn geeignete Messungen der Entropieproduktion durchgeführt werden. In dieser Hinsicht zeigt sich dass, wenn für die Entropieproduktion große Werte (im Absolutbetrag) gemessen werden, dies zu einer effektiven Projektion der Quantenüberlagerung der thermodynamischen Zeitpfeile auf eine wohldefinierte zeitliche Richtung führt. Geht es hingegen um kleinen Entropieproduktionswerte, so spielen Interferenzeffekte eine wichtige Rolle für die Definition der Art des thermodynamischen Prozesses. Sie können beispielsweise zur Beobachtung von Arbeitswahrscheinlichkeitsverteilungen eines Prozesses führen, der stärker oder leichter umkehrbar ist als die einzelnen Prozesse, welche die Überlagerung bilden, oder auch jede klassische Mischung daraus. Die letzte Studie dieser Dissertation schließlich knüpft an die in der vorhergehenden Arbeit verwendeten Methoden an. Bei all den genannten Arbeiten geht es um die Anwendung sogenannter `thermodynamischer Fluktuationssätze'. Mit Hilfe thermodynamischer Fluktuationen wird es möglich, die Differenz der freien Energie zwischen zwei Gleichgewichtszuständen mit der Arbeit an einem System in Beziehung zu setzen, welches aus einem Gleichgewicht getrieben wird. Im Kontext der Quantenmechanik bildet die Definition von Arbeit ein nicht-triviales Konzept. Daher wurde in dieser letzten Arbeit ein einfaches interferometrisches Schema aufgestellt, welches unter Ausnutzung der Fluktuationstheoreme eine direkte Schätzung der Arbeitsverteilung und der durchschnittlichen Arbeit, die während eines isothermischen thermodynamischen Prozesses dissipiert wird, erlaubt. Die Untersuchung unbestimmter Kausalstrukturen und des Zeitpfeils führt zur Erschließung neuer Aufgabenstellungen in der Quanteninformation und der Quantenthermodynamik. Sie ist auch als methodisches Werkzeug für die Entwicklung zukünftiger Quantentheorien der Schwerkraft geeignet. Die theoretische Formulierung und experimentelle Realisierung dahingehender Ansätze, wie sie in der vorliegenden Arbeit unternommen werden, kann zur Grundlage für ein tieferes Verständnis der Rolle der Zeit in den grundlegenden physikalischen Theorien werden. In meinen Augen ist sie von zentraler Bedeutung für künftige konzeptionelle Wendepunkte in der Wissenschaft.