Quantum many-body systems far out of equilibrium can lead to rich physics and are challenging to understand due to the exponentially large Hilbert space.We employ large scale tensor network techniques in numerical simulations and investigate the dynamics of different model systems, where we focus on the dimensional crossover in two-dimensional systems and on many-body localization.Moreover, we introduce a new method to efficiently simulate the dynamics of mixed states using minimally entangled purified states.The developed codes are made available as an open-source library.v Kurzfassung Quantenvielteilchensysteme im Nichtgleichgewicht bieten reichhaltige Physik, der exponentiell große Hilbertraum stellt jedoch eine Herausforderung für deren Verständnis dar.Wir verwenden umfangreiche numerische Simulationen mit Tensor-Netzwerk-Methoden und erforschen die Dynamik in verschiedenen Modellsystemen, wobei wir uns auf auf den dimensionalen Übergang in zwei-dimensionalen Systemen und auf Vielteilchenlokalisierung konzentrieren.Außerdem präsentieren wir eine neue Methode, um effizient die Dynamik von gemischten Zuständen mit minimal verschränkten reduzierten Zuständen zu simulieren.
Quantum many-body systems far out of equilibrium can lead to rich physics and are challenging to understand due to the exponentially large Hilbert space.We employ large scale tensor network techniques in numerical simulations and investigate the dynamics of different model systems, where we focus on the dimensional crossover in two-dimensional systems and on many-body localization.Moreover, we introduce a new method to efficiently simulate the dynamics of mixed states using minimally entangled purified states.The developed codes are made available as an open-source library.v Kurzfassung Quantenvielteilchensysteme im Nichtgleichgewicht bieten reichhaltige Physik, der exponentiell große Hilbertraum stellt jedoch eine Herausforderung für deren Verständnis dar.Wir verwenden umfangreiche numerische Simulationen mit Tensor-Netzwerk-Methoden und erforschen die Dynamik in verschiedenen Modellsystemen, wobei wir uns auf auf den dimensionalen Übergang in zwei-dimensionalen Systemen und auf Vielteilchenlokalisierung konzentrieren.Außerdem präsentieren wir eine neue Methode, um effizient die Dynamik von gemischten Zuständen mit minimal verschränkten reduzierten Zuständen zu simulieren.
Quantencomputing und -simulation versprechen die Lösung von Problemen, die weit über die Möglichkeiten klassischer Computer hinausgehen. Ihre Leistungsfähigkeit beruht auf der Steuerung von Quanten-Vielteilchensystemen auf Plattformen wie gefangenen Ionen, neutralen Atomen und supraleitenden Schaltkreisen. Da alle diese Systeme unvermeidlich durch Geräusche beeinträchtigt werden, ist die Entwicklung neuer, effizienter klassischer Methoden notwendig, um die Leistung von Quantenhardware zu testen, die Fehlerkorrektur zu unterstützen und die Grenze zwischen klassischer und quantenmechanischer Simulierbarkeit zu bestimmen. Diese Dissertation entwickelt neue numerische Methoden für die effiziente Simulation offener Vielteilchen-quantensysteme auf klassischen Computern. Dabei werden fortschrittliche numerische Techniken wie Tensornetzwerke, stochastische Quantentrajektorien, maschinelles Lernen und neuronale Netze eingesetzt. Die vorliegende Arbeit fördert die numerische Untersuchung offener Quanten-Vielteilchensysteme durch die folgenden Beiträge: 1. Einführung einer neuartigen adaptiven Methode für verrauschte Quanten-Vielteilchendynamik. Durch die Nutzung von Tensor-Netzwerk-Darstellungen von Quantentrajektorien und die Wahl von Zerlegungen der Trajektorien, die das Verschränkungswachstum minimieren, reduziert dieser Ansatz den Rechenaufwand erheblich und erweitert die zugänglichen Simulationsregime. 2. Entwicklung eines allgemeinen methodischen Rahmens für adaptive Quantentrajektorien, begleitet von einem systematischen Vergleich mit konventionellen Zerlegungen und anderen etablierten Simulationstechniken, um deren relative Stärken und Schwächen aufzuzeigen. 3. Demonstration eines neuronalen Netzwerk-basierten Ansatzes zur Simulation der Dynamik von Emitterketten, die an eindimensionale Markovische Wellenleiter gekoppelt sind. Diese Methode zeigt großes Potenzial, Fernkorrelationen effizient zu erfassen, und ermöglicht so die Untersuchung dissipativer Effekte in Wellenleitersystemen in experimentell relevanten Regimen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse verbessern unsere Fähigkeit, verrauschte Quanten-Vielteilchensysteme auf den klassischen Computern zu modellieren, erweitern die zugänglichen dynamischen Regime und gehen besonders anspruchsvolle Probleme an. Dadurch tragen sie zu einem besseren Verständnis der Grundlagen der Quantenberechnung und -simulation bei.
The study of interacting quantum many-body systems is one of the central challenges in modern physics. Interestingly, by understanding the physical properties of such systems from a microscopic description, one can explain many complex quantum phenomena such as the high-temperature superconductivity, fractional quantum Hall effect, etc. However, due to high complexity of these systems, theoretical investigations such as analytical and perturbation theories are limited to studying only a small subset of problems. In the past few decades, numerical simulation has emerged as an indispensable method for studying many phenomena, and has led to immense success and progress in recent years. The main obstacle in addressing quantum many-body systems is that the number of parameters required to represent a state of the system scales exponentially with the system size. However, one hardly needs the full Hilbert space but only a small subspace to describe physical properties of the system. From the point of view in quantum information theory, quantum entanglement is one of the main factors that is responsible for the complexity of studying quantum many-body systems. In particular, the amount of quantum entanglement in such system quantifies the correlation between constituents and therefore it determines how big the subspace is required to represent the system. In this thesis, we are interested in using tensor network states, a new emerging numerical technique to study dynamical and ground state properties of the system. The key ingredient is that a tensor network state which consists of a fairly small number of parameters can represent very well the complete wave function of a system. In one spatial dimension, Matrix Product State (MPS) has become a standard tool, combined with related algorithms such as Time Evolving Block Decimation algorithm (TEBD) to study dynamical properties of a locally-perturbed quantum lattice system. In this thesis, we introduce a technique called ``infinite boundary conditions'' that allows us to use a finite-size MPS to represent the state of an infinite-size system. As a result, one can simulate dynamics of a system for a longer time with a significant computational cost reduction compared to traditional methods. In two spatial dimensions, the tensor network known as Projected Entangled Pair States (PEPS) is emerging as a useful approach. However algorithms for optimizing the matrix elements of these tensors are complex and not very efficient. In particular, the efficiency of the optimization depends critically on the quality of the so-called ``environment'', which is expensive to compute. We have introduced a new method to accelerate the convergence of calculating the PEPS ground state by recycling the environment tensors for many optimization steps, vastly reducing the number of times that the full environment needs to be calculated.
In dieser Arbeit anlysieren wir den Einfluss von Dissipation auf Quantensysteme. Da man ein reales Quantensystem nie perfekt vor äußeren Einflüssen schützen kann, unterliegt jedes System der Dekohärenz. Diese kleine Kopplung mit der Umgebung kann das Vorkommen interessanter Quanteneffekte verhindern. In dieser Arbeit erforschen wir das Gegenspiel zwischen der kohärenten Dynamik und der Dissipation und zeigen das dies zu sehr interessanten Effekten führen kann. In klassischen PT-symmetrischen Systemen kann dieses Gegenspiel zur Brechung der Symmetrie führen. Während dieser Effekt schon in einer Reihe von klassichen Systemen experimentell nachgewiesen wurde, ist die Definition von PT-symmetrischen offen Quantensystemen noch ungeklärt. In dieser Doktorarbeit liefern wir eine Definition für PT-symmetrische offene Quantensysteme und zeigen die Analogie zu klassischen Systemen anhand mehrerer Beispiele. Des Weiteren untersuchen wir dieWechselwirkung zwischen kohärenter Dynamik und Dissipation in großen Spingittern. Dieses System besitzt außergewöhnliche Phasenübergänge, wie einen diskontinuierlichen Übergang ohne Phasenkoexistenz am kritischen Punkt und einen diskontinuierlichen Übergang mit langreichweitigen Korrelationen, jedoch ohne Brechung einer Symmetrie. Da eine exakte Berechnung nur für sehr kleine Systeme möglich ist, benötigt es neue numerische Methoden um so eine Analyse zu ermöglichen. Wir führen deshalb eine neue Methode TWOQS (Truncated Wigner method for Open Quantum Spins) ein, welche die Simulation der Dynamik und des stationären Zustandes von offenen kollektiven Spinsystemen ermöglicht. Außerdem erweitern wir die Discrete Truncated Wigner Approximation (DTWA) für geschlossene Quantensysteme zu offenen Quantenystemen (DDTWA). Dadurch können wir realistische Experimente mit N = 10^5 Spinteilchen unter der Berücksichtigung diverser inkohärenter Prozesse wie Zerfall oder Dephasierung und diverser Imperfektionen wie Inhomogenitäten mit sehr hoher Genauigkeit numerisch berechnen. Darüber hinaus analysieren wir in dieser Dissertation den Energietransport in offenen Quantensystemen. Wir betrachten dazu ein Netzwerk von harmonischen Oszillatoren an dem an einer Seite Energie hineingepumpt und an der anderen Seiten Energie entfernt wird. Wir analysieren dieses System sowohl im makroskopischen, thermischen als auch quantenmechanischen Bereich und finden einen Übergang zwischen einem kohärenten und einem stark verrauschtenTransportbereich. Diese unterschiedlichen Transporteigenschaften hängen von der Topologie und der Symmetrie des Systems ab.
In this thesis, quantum many-body systems are studied by means of tensor network methods. After introducing the quantum many-body problem and discussing paradigmatic models as well as established methods for their solution, the focus is set on a practical approach to tensor network methods, always keeping in mind the realistic numerical applicability of the tools devised. In order to achieve this objective, we focus on loop-free network geometries, which allow to boost the computational performance to the greatest possible extent. The developed algorithms are described and benchmarked in detail, starting from their elementary constituents, namely the multidimensional arrays called tensors which are at the heart of any tensor network algorithm. We then apply the developed simulation techniques to a diverse collection of quantum many-body models of current research interest. We are interested, in particular, in a characterization of the ground-state properties of these models, but we also investigate problems beyond the zero-temperature equilibrium setting, such as time evolution or finite-temperature behavior. Specifically, novel findings for the phase diagrams of the disordered Bose-Hubbard chain and of the Heisenberg chain with additional biquadratic interactions are presented, as well as compelling new evidence for the existence of fractional quantum Hall states in the interacting Harper-Hofstadter model.
Jüngste experimentelle Fortschritte erlauben die Beobachtung von elektronischen Relaxationsprozessen in Festkörpern in Echtzeit. Nach der optischen Anregung eines Systems relaxiert dieses in einen Gleichgewichtszustand. Die Dynamik des Systems während des Relaxationsprozesses ist von den vorherrschenden mikroskopischen Wechselwirkungen zwischen den Konstituenten des Systems abhängig. Die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Gitterschwingungen - den Phononen - ist allgegenwärtig in Festkörpern, weshalb sie einer der wichtigsten Relaxationskanäle ist. Eine analytische Beschreibung der Relaxationsdynamik ist schwierig, und nur wenige exakte Lösungen existieren, selbst für die Beschreibung von Gleichgewichtsproblemen. Prinzipiell sind numerische Methoden in der Lage, eine Lösung sowohl für Gleichgewichts- als auch für Nichtgleichgewichtssituationen zu finden. Methoden wie die exakte Diagonalisierung oder die Dichtematrix-Renormierungsgruppenmethode, die mit Wellenfunktionen arbeiten, skalieren jedoch ungünstig mit der Dimension des lokalen Hilbertraumes. Dies ist besonders problematisch bei der Studie von Elektron-Phonon gekoppelten Systemen, bei der im allgemeinen besonders große lokale Basen benötigt werden. Für Grundzustandsprobleme gibt es zwei unabhängige Vorgehensweisen, um dem entgegenzuwirken: die Ein-Gitterplatz Dichtematrix Renormierungsgruppenmethode, die linear in der lokalen Dimension skaliert, sowie die Implementierung eines Schemas, das die Dimension der lokalen Basis verringert, indem es im Eigenraum der lokalen reduzierten Dichtematrix trunkiert was auf sogenannte optimale Moden führt. In dieser Dissertation kombinieren wir diese Strategien zu einer Methode, die linear in der Dimension der optimierten lokalen Basis anstelle der vollen lokalen Dimension skaliert. Wir demonstrieren das verbesserte Skalierungsverhalten der Methode anhand des Holstein-Polaron und des halb gefüllten Hubbard-Holstein Modells. Zudem beschreiben wir die Implementierung einer optimalen Phononbasis in den Time-Evolving Block Decimation Algorithmus, um das Skalierungsverhalten dieser Methode mit der lokalen Dimension zu verbessern. Für die Simulation des Polaron-Problems auf einer unendlich langen Kette hat sich die Krylovraum Zeitentwicklung in einem limitierten funktionalen Raum, als effizient herausgestellt. Wir adaptieren diese Methode für periodische Randbedingungen und endliche Systemgröße. Außerdem betrachten wir die Eigenschaften der lokalen reduzierten Dichtematrix als Funktion der Modellparameter und in Nichtgleichgewichtssituationen in drei Modellen: dem Bose-Bose Resonanz-Modell, dem Holstein Modell und dem Hubbard-Holstein Modell. Für fermionische und Spin-Modelle weiß man, dass die lokale von Neumann Entropie ein Indikator für Phasenübergänge ist. Für das Bose-Bose Resonanzmodell finden wir, dass die beiden Größen, lokale von Neumann Entropie und Eigenzustände der lokalen Dichtematrix, besondere Eigenschaften an Phasenübergängen zeigen. Wir finden außerdem, dass die Struktur der optimalen Moden sich als Funktion der Zeit in der Nichtgleichgewichtsdynamik ändert. Desweiteren beschäftigen wir uns mit der Relaxationsdynamik eines einzigen Elektrons gekoppelt an Holstein-Phononen. Im adiabatischen Fall finden wir einen Netto-Energiefluss von dem Elektron zu den Phononen und wir leiten einen analytischen Ausdruck für die Relaxationszeit des Elektrons im schwach wechselwirkenden, adiabatischen Fall her. Ein weiteres Hauptthema dieser Dissertation ist die Thermalisierung in geschlossenen Quanten- Vielteilchensystemen. Unser erstes Beispiel ist der Zerfall der Néel Ordnung unter Zeitentwicklung im eindimensionalen Fermi-Hubbard Hamiltonian. Wir finden, dass die Relaxation spin-verwandter Observablen von Spin-Anregungen kontrolliert werden und dass die Doppelbesetzung nicht im Sinne der Eigenzustands-Thermalisierungs-Hypothese thermalisiert, da das System nicht ergodisch ist. Als zweites Beispiel behandeln wir Vielteilchenlokalisierung in einem eindimensionalen System von attraktiv wechselwirkenden Fermionen, das im Grundzustandsphasendiagramm auch mit Unordnung eine delokalisierte Phase zeigt. Wir untersuchen diesen Phasenübergang mit modernen Hilfsmitteln, die auf den Verschränkungseigenschaften und der Existenz von Quasiteilchen in lokalisierten Phasen beruhen.
The recognition that large classes of quantum many-body systems have limited entanglement in the ground and low-lying excited states led to dramatic advances in their numerical simulation via so-called tensor networks. However, global dynamics elevates many particles into excited states, and can lead to macroscopic entanglement and the failure of tensor networks. Here, we show that for quantum transport-one of the most important cases of this failure-the fundamental issue is the canonical basis in which the scenario is cast: When particles flow through an interface, they scatter, generating a "bit" of entanglement between spatial regions with each event. The frequency basis naturally captures that-in the long-time limit and in the absence of inelastic scattering-particles tend to flow from a state with one frequency to a state of identical frequency. Recognizing this natural structure yields a striking-potentially exponential in some cases-increase in simulation efficiency, greatly extending the attainable spatial and time scales, and broadening the scope of tensor network simulation to hitherto inaccessible classes of nonequilibrium many-body problems.