Diese Habilitationsschrift behandelt paradigmatische Situationen der Quantenthermodynamik, welche im Detail in Publikationen beschrieben werden, welche in vollem Umfang in dieser Habilitationsschrift wiedergegeben werden. Die ausgewählten Beispiele illustrieren das Wechselspiel zwischen Thermodynamik und Quanteninformationstheorie, und ihren jeweiligen Ressourcen. Insbesondere, betrachten wir Situationen, in denen nur unvollständige Information zu den betrachteten Quantensystemen vorliegen, und diese daher als anfangs in thermischem Equilibrium in Bezug auf die Umgebung vorliegend angenommen werden. In solchen Systemen kann Arbeit in informationstheoretisch wertvolle Ressourcen (wie etwa verschiedene Formen von Korrelationen) umgewandelt werden. Umgekehrt, ist dort die Extraktion, Speicherung, und Abschätzung von Arbeit durch informationstheoretische Überlegungen (etwa, die Komplexität der herangezogenen physikalischen Operationen) eingeschränkt. Zur Beschreibung dieser Sachverhalte beginnt diese Habilitationsschrift im ersten Abschnitt mit einem Überblick über relevante Konzepte und Definitionen aus der Quantenthermodynamik, der Quantenoptik, und der Quanteninformationstheorie: Angefangen mit der Betrachtung von Problemen der Definition und Bestimmung von Arbeit und ihrer Fluktuationen, bietet diese Habilitationsschrift eine kurze Zusammenfassung von gängigen Ansätzen zur Untersuchung fundamentaler und praktischer Limitationen für die Extraktion und Speicherung von Arbeit in quantenoptischen Systemen. Anschließend folgt eine Betrachtung der Umwandelbarkeit von Arbeit in Korrelationen. Zu diesem Zweck, werden verschiedene Korrelationstypen und deren Erzeugbarkeit durch Aufwendung von Arbeit diskutiert, bevor die wichtigsten Schlüsse zusammengefasst werden und ein Ausblick auf offene Fragen geboten wird. Der zweite Abschnitt präsentiert schließlich die zuvor erwähnten ausgewählten Publikationen zu diesen Themen.
Diese Habilitationsschrift behandelt paradigmatische Situationen der Quantenthermodynamik, welche im Detail in Publikationen beschrieben werden, welche in vollem Umfang in dieser Habilitationsschrift wiedergegeben werden. Die ausgewählten Beispiele illustrieren das Wechselspiel zwischen Thermodynamik und Quanteninformationstheorie, und ihren jeweiligen Ressourcen. Insbesondere, betrachten wir Situationen, in denen nur unvollständige Information zu den betrachteten Quantensystemen vorliegen, und diese daher als anfangs in thermischem Equilibrium in Bezug auf die Umgebung vorliegend angenommen werden. In solchen Systemen kann Arbeit in informationstheoretisch wertvolle Ressourcen (wie etwa verschiedene Formen von Korrelationen) umgewandelt werden. Umgekehrt, ist dort die Extraktion, Speicherung, und Abschätzung von Arbeit durch informationstheoretische Überlegungen (etwa, die Komplexität der herangezogenen physikalischen Operationen) eingeschränkt. Zur Beschreibung dieser Sachverhalte beginnt diese Habilitationsschrift im ersten Abschnitt mit einem Überblick über relevante Konzepte und Definitionen aus der Quantenthermodynamik, der Quantenoptik, und der Quanteninformationstheorie: Angefangen mit der Betrachtung von Problemen der Definition und Bestimmung von Arbeit und ihrer Fluktuationen, bietet diese Habilitationsschrift eine kurze Zusammenfassung von gängigen Ansätzen zur Untersuchung fundamentaler und praktischer Limitationen für die Extraktion und Speicherung von Arbeit in quantenoptischen Systemen. Anschließend folgt eine Betrachtung der Umwandelbarkeit von Arbeit in Korrelationen. Zu diesem Zweck, werden verschiedene Korrelationstypen und deren Erzeugbarkeit durch Aufwendung von Arbeit diskutiert, bevor die wichtigsten Schlüsse zusammengefasst werden und ein Ausblick auf offene Fragen geboten wird. Der zweite Abschnitt präsentiert schließlich die zuvor erwähnten ausgewählten Publikationen zu diesen Themen.
Die Quanteninformationstheorie hat sich traditionell auf Zweiniveausysteme (Qubits) konzentriert, obwohl zahlreiche experimentelle Plattformen – darunter photonische Modi, gefangene Ionen und supraleitende Schaltkreise – von Natur aus höherdimensionale Qudits realisieren. Diese Arbeit entwickelt drei komplementäre Ansätze zu einer dimensionsbewussten Erweiterung der Quanteninformationstheorie, die den operativen Kern bewahrt und zugleich die strukturelle Komplexität von Systemen mit höherer lokaler Dimension berücksichtigt. Im ersten Teil werden dimensionsabhängige Quasi-Monogamie-Relationen für Korrelationsmaße in der Bloch Darstellung hergeleitet. Parallel dazu werden neue Tsallis-2-Entropie-Ungleichungen mit explizit dimensionsabhängingen Parametern formuliert, darunter eine verallgemeinerte Form der strikten Subadditivität. Diese Ergebnisse verdeutlichen, wie sich Geometrie und Entropie quantenmechanischer Korrelationen mit wachsender Dimension verändern, und bieten eine Verallgemeinerung qubitspezifischer Relationen wie der Coffman–Kundu–Wootters-Ungleichung. Der zweite Teil führt Finite-Function-Encoding (FFE)-Zustände ein, welche die phasenkodierte logische Struktur von Qubit-Hypergraph-Zuständen auf beliebige d-stufige Systeme verallgemeinern. Innerhalb dieses Rahmens wird die polynomiale Unterklasse über Tensor-Kanten-Hypergraphen beschrieben, und für allgemeine FFE-Zustände wird ein Stabilisatorformalismus entwickelt. Die Analyse der lokalen Äquivalenz unter unitären und endlichen Funktions-Pauli-Transformationen führt zu einer vollständigen Klassifikation bipartiter FFE-Zustände für lokale Dimensionen drei und vier und zeigt strukturelle Verbindungen zur Klassifikation komplexer Hadamard-Matrizen auf. Im dritten Teil wird ein zweistufiges Verfahren zur quditbasierten Schaltkreiskompression vorgestellt. In der ersten Stufe werden mehrere Qubits mittels schnittminimierender Graphpartitionierung zu Qudits zusammengefasst; in der zweiten Stufe werden eingebettete Zwei-qubit-Gatter durch native Zwei-qudit-Operationen ersetzt. Es werden obere und untere Schranken für die erreichbare Reduktion des nichtlokalen Gatteraufwands hergeleitet und Fälle identifiziert, in denen diese Schranken saturiert werden. Insgesamt entsteht so ein kohärenter Rahmen zur Übertragung qubitbasierter Paradigmen auf höherdimensionale Architekturen, der sowohl theoretische Einsichten als auch praktische Vorteile für Quantenhardware mit kohärenter Mehrniveausteuerung bietet.
Die theoretische und experimentelle Untersuchung stark korrelierter Quantensysteme im und ausserhalb des Gleichgewichts ist in den letzten Jahren zu einem zentralen Forschungsschwerpunkt in der Physik der kondensierten Materie geworden. In dieser Habilitationsschrift werden anhand eigener Beiträge aktuelle Entwicklungen diskutiert und ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungen des Feldes gegeben. Es wird dabei ein direkter Bezug von theoretischen Zugängen zu aktuellen Experimenten mit ultrakalten Gasen und mit stark korrelierten Materialien genommen. Insbesondere werden mikroskopische Modelle diskutiert, die zur Modellierung stark korrelierter Materialien (wie z.B. Quantenmagnete) herangezogen werden. Das zweite Thema der Schrift behandelt die Realisierung und Untersuchung von Quantenvielteilcheneffekten in aktuellen Experimenten mit ultrakalten Gasen durch sogenannte Quantensimulatoren. Ziel ist es, aufgrund theoretischer Überlegungen Vorhersagen zur Emulation stark korrelierter Systeme zu treffen und, basierend auf numerisch exakten Simulationen, Vorhersagen für die Experimente zu treffen. Da solche Experimente insbesondere auch ausserhalb des Gleichgewichts durchgeführt werden können, knüpft dies direkt an das dritte Thema der Schrift an, in dem die Physik von Quantenvielteilchensystemen ausserhalb des Gleichgewichts untersucht wird. Dazu gehören die Behandlung des Relaxationsverhaltens nach sogenannten Quantum Quenches und Fragestellungen zum Transport, die hier anhand von Situationen auf optischen Gittern diskutiert werden. Die drei Themenbereiche werden überspannt von der Fragestellung, wie man neuartige Quantenzustände realisieren kann, und wie man diese charakterisieren kann. Ausserhalb des Gleichgewichts erwächst die Fragestellung, ob durch das Relaxationsverhalten ungewöhnliche Zustände erzeugt werden können. Wie in dieser Arbeit diskutiert, ergeben sich in der Tat unerwartete Ergebnisse, wie die Bildung negativer Temperaturen, oder das Anwachsen der Teilchendichte verursacht durch repulsive Wechselwirkungen. Im Gleichgewicht kann das Vorhandensein starker Magnetfelder zu interessantem Verhalten führen, wie anhand verschiedener Systeme diskutiert wird. Hervorzuheben sind hier die Bildung unkonventioneller Mott-Isolatoren, von Phasen mit 'spin-nematischer' Ordnung, und unkonventionelle Quantenphasenübergänge. Eine aktuelle Entwicklung der aktuellen Forschung behandelt die Bildung sogenannter topologischer Phasen, die nicht durch einen lokalen Ordnungsparameter beschrieben werden und sich somit der Charakterisierung im Rahmen der Landau-Theorie von Phasen und Phasenübergängen entziehen. Aktuelle Fragestellungen sind die Realisierung solcher Phasen im Vorhandensein von Wechselwirkungen, auch langreichweitiger Natur, wie sie in Quantensimulatoren mit polaren Molekülen in Erscheinung treten. In dieser Schrift wird diskutiert, wie diese Fragestellungen durch einen numerischen Zugang - die Dichtematrixrenormierungsgruppe - behandelt werden können und wie diese sehr flexible Methode zu interessanten Einsichten in die facettenreiche Physik stark korrelierter Quantensysteme führt.
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.
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.
Quantencomputer versprechen eine revolutionäre Leistungssteigerung und könnten damit einige aktuelle Paradigmen der Informatik obsolet werden lassen. Diese Technologie ist für Interessierte ohne Vorkenntnisse aus dem Bereich der Quantenphysik jedoch schwer nachzuvollziehen. Die vorliegende Arbeit basiert auf einer Literaturrecherche und wurde verfasst, um die Thematik der Quantencomputer verständlich darzulegen. Zu diesem Zweck wird zuerst eine Beschreibung von relevanten Grundprinzipien der Quantenmechanik gegeben. Neben der Anführung von bestimmten Quantenzahlen und deren Zuständen werden dabei die Konzepte der Superposition und der Verschränkung dieser Zustände erläutert. Danach wird die Funktionsweise eines auf Quantengattern basierenden Computers mathematisch und grafisch nachvollziehbar beschrieben. Operationen, welche durch Transformation von Quantenzuständen ausgeführt werden, und Anwendungen für diese Art von Berechnungen werden vorgestellt. Potenziale und Einschränkungen sind durch das Verständnis der Arbeitsweise eines Quantencomputers eingängig. Der Aufbau eines Quantencomputers, sowie eine Analyse des Fortschritts bei der Realisierung von voll skalierbaren Quantencomputern werden weiters dargelegt. Dabei wird auf die wesentlichen Bestandteile eines Quantenchips näher eingegangen. Für geeignet gehaltene Quantenzustände für die Nutzung als Qubits, sowie Verfahren zur Speicherung und Manipulation von Informationen durch Quantencomputer werden beschrieben. Vor allem die Fehlerrate von Qubits stellt Forscher und Entwickler derzeit noch vor große Herausforderungen. Diese Arbeit gibt deshalb einen Ausblick, welche weiteren Schritte nötig sind, um die Vision von kommerziell einsetzbaren Quantencomputern zu verwirklichen.
In der Arbeit wird ein dissipatives diskretes System untersucht. Ein dissipatives diskretes System besteht aus dem System selber und seiner Wechselwirkung mit seiner Umgebung. Wird die Wechselwirkung mit der Umgebung ausgeschaltet, so spricht man von einem isolierten diskreten System. Ein isoliertes System kann man auf verschiedenen Stufen beschreiben. Im ersten Teil der Arbeit wird ein solches System auf der phänomenologischen Ebene untersucht. Auf der phänomenologischen Ebene führt diese Untersuchung zu dem Schluss, dass wir die untersuchten phänomenologischen Modelle sowohl in der rationalen Thermodynamik als auch in GENERIC darstellen können. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Grundzüge der klassischen Quantenthermodynamik dargestellt. Der Ausgangspunkt dieser Theorie ist, dass eine ausgewählte Menge makroskopischer Observablen existiert. Diese Menge wird Beobachtungsebene genannt. Weiterhin soll eine geeignete Abbildung existieren, die die Observablen auf die Beobachtungsebene abbildet. Mit dieser Abbildung erhält man eine Dynamik für die Wahrscheinlichkeitsdichte auf der Beobachtungsebene und damit eine Möglichkeit die Entropie einzuführen. Die ungeklärten Fragen dieser Theorie sind aber zum einen: Ist die Entropieproduktion nicht negativ?; und zum anderem: Was zeichnet die makroskopischen Observablen aus?; bzw. kann man wenigstens für die makroskopische Zeitableitung der Erwartungswerte der Observablen zeigen, dass sie gleich den mikroskopischen Erwartungswerte sind. Deshalb wird im dritten Teil der Arbeit Dissipation in die klassische statistische Mechanik durch ein Potential eingeführt. Die konsequente Ableitung befindet sich aber noch in der heuristischen Phase. Deshalb werden die Bewegungsgleichungen postuliert. Aus diesem Postulat folgt dann aber, dass wir die extsc{Generic}-Struktur auf der mikroskopischen klassischen Ebene wiederfinden. Sie gilt hier für alle Observablen. Der Versuch, diese Struktur auf die makroskopische Ebene zu übertragen, scheint im Prinzip möglich.