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dc.contributor.advisorKnorr, Andreas-
dc.contributor.authorFinsterhölzl, Regina Anna-
dc.date.accessioned2021-02-11T16:52:17Z-
dc.date.available2021-02-11T16:52:17Z-
dc.date.issued2021-
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12539-
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11358-
dc.description.abstractThe study of open quantum systems forms one of the main problems of modern physics. This thesis aims at contributing to this field, and focuses on the investigation of non-Markovian dynamics of open quantum systems. Here, as a special case, quantum many-body systems provide for a rich field of research. With the ability to control them being of essential importance for the development of quantum technologies, the characterization of their dynamical properties has also drawn a lot of interest lately. One of the main methodological tasks in the study of open quantum systems is to reduce the infinite degrees of freedom of the total system. In order to achieve this, the thesis makes use of the tensor network method matrix product states and combines it with the picture of the quantum stochastic Schrödinger equation. However, when computing the dynamics of many-body systems of system size N, even the reduced system dynamics scale with 2N, making larger system sizes difficult to access. Therefore, especially when computing non-Markovian time-dynamics where the information backflow from the reservoir has to be taken into account, efficiently constructed algorithms are required. This thesis proposes these type of algorithms and demonstrates their application. They enable an access to larger system sizes, thus making it possible to investigate non-equilibrium steady-states of quantum many-body systems in a non-Markovian interaction for system sizes up to N=30. This thesis consists of three parts. The first part provides an introduction to the theory of open quantum systems and to the methodology for modeling them. The second part examines many-body system-reservoir interaction in the non-Markovian regime by investigating the case of fully coherent self-feedback. It uses the one-dimensional Heisenberg spin-1/2 chain as a paradigmatic and recently intensely studied many-body system. It is demonstrated that this gives rise to new conditions for the feedback phase and to highly non-trivial states within the system as well as to the possibility of partially characterizing the system non-invasively and storing excitation within it. Next, a novel approach to the boundary-driven Heisenberg chain is presented, where the chain is exposed to a coherent driving field, thus enabling a comparison to the well-studied incoherently driven model. The third part demonstrates the use of an external pump to control the feedback phase of a Lambda-type three-level system, where the external pump pulse is shown to be a new control parameter. The thesis concludes with the proposition to enhance the indistinguishability of two photons by feedback control.en
dc.description.abstractDie Untersuchung offener Quantensysteme ist eines der Hauptprobleme der modernen Physik. Diese Dissertation möchte einen Beitrag zu diesem Gebiet leisten und konzentriert sich auf die Untersuchung der nicht-Markovschen Dynamik offener Quantensysteme. Hier bieten Quanten-Vielteilchensysteme als Sonderfall ein reichhaltiges Forschungsfeld, und da ihre Kontrolle für die Entwicklung von Quantentechnologien von wesentlicher Bedeutung ist, hat in letzter Zeit auch die Charakterisierung ihrer dynamischen Eigenschaften großes Interesse geweckt. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind für dieses Gebiet von besonderer Relevanz. Eine der wichtigsten methodischen Aufgaben bei der Untersuchung offener Quantensysteme ist die Reduzierung der großen Zahl von Freiheitsgraden des Gesamtsystems. Um dies zu erreichen, wird in dieser Arbeit die Tensornetzwerkmethode matrix product states verwendet und mit dem Bild der quantenstochastischen Schrödingergleichung kombiniert. Bei der Berechnung der Dynamik von Vielteilchensystemen skaliert jedoch selbst die reduzierte Systemdynamik mit 2N, so dass größere Systemgrößen schwer zugänglich sind. Daher sind insbesondere bei der Berechnung der nicht-Markovschen Zeitdynamik, bei der der Informationsrückfluss aus dem Reservoir berücksichtigt werden muss, effizient konstruierte Algorithmen erforderlich. In dieser Arbeit werden solche Algorithmen vorgeschlagen und ihre Anwendung demonstriert. Sie ermöglichen einen Zugang zu größeren Systemgrößen und damit die Untersuchung von Nichtgleichgewichts-Zuständen von Quanten-Vielteilchen-Systemen in einer nicht-Markovschen Wechselwirkung für Systemgrößen bis zu N=30. Diese Arbeit besteht aus drei Teilen. Der erste Teil bietet eine Einführung in die Theorie der offenen Quantensysteme und in die Methodik zu deren Modellierung. Der zweite Teil untersucht die Interaktion zwischen Vielkörper-System und Reservoir im nicht-Markovschen Regime, indem er den Fall eines vollständig kohärenten Selbst-Feedbacks in den Blick nimmt. Er verwendet die eindimensionale Heisenberg-Spin-1/2-Kette als paradigmatisches und in der jüngsten Literatur intensiv untersuchtes quantenmechanisches Vielkörper-System. Es wird gezeigt, dass sich daraus neue Bedingungen für die Feedback-Phase und nicht-triviale Nichtgleichgewichts-Zustände innerhalb des Systems ergeben sowie die Möglichkeit, das System nicht-invasiv zu charakterisieren und Anregung darin zu speichern. Im Anschluss daran wird ein neuartiger Ansatz für die randgetriebene Heisenberg-Kette vorgestellt, bei dem die Kette mit kohärent Feld getrieben wird, wodurch ein Vergleich mit dem häufig untersuchten inkohärent getriebenen Modell möglich wird. Im dritten Teil wird die Verwendung eines externen Pumpfelds zur Steuerung der Rückkopplungsphase eines Lambda-Typ Dreiniveausystems gezeigt, wobei sich der externe Pumpimpuls als neuer Steuerparameter erweist. Die Arbeit schließt mit dem Vorschlag, die Ununterscheidbarkeit von zwei Photonen durch kohärente Feedbackkontrolle zu verbessern.de
dc.language.isoenen
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/en
dc.subject.ddc530 Physikde
dc.subject.otheropen quantum systemsen
dc.subject.otherquantum many-body systemsen
dc.subject.otherquantum feedback-controlen
dc.subject.othermatrix-product statesen
dc.subject.othertensor network methodsen
dc.subject.otheroffene Quantensystemede
dc.subject.otherquantenmechanische Vielkörpersystemede
dc.subject.otherquantenmechanische Rückkopplungskontrollede
dc.subject.otherMatrix-Produktzuständede
dc.subject.otherTensor-Netzwerkmethodende
dc.titleNon-Markovian open quantum many-body system dynamicsen
dc.typeDoctoral Thesisen
tub.accessrights.dnbfreeen
tub.publisher.universityorinstitutionTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeKnorr, Andreas-
dc.contributor.refereeBandelow, Uwe-
dc.date.accepted2020-12-17-
dc.title.translatedDynamik von offenen, nicht-Markovschen quantenmechanischen Vielkörpersystemende
dc.type.versionacceptedVersionen
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