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Neue theoretische Methoden für Quantenvielteilchensysteme

Novel theoretical tools for quantum many-body systems

Barbara Kraus (ORCID: 0000-0001-7246-6385)
  • Grant-DOI 10.55776/Y535
  • Förderprogramm FWF-START-Preis
  • Status beendet
  • Projektbeginn 01.08.2010
  • Projektende 31.07.2018
  • Bewilligungssumme 1.200.000 €

Wissenschaftsdisziplinen

Informatik (20%); Physik, Astronomie (80%)

Keywords

    Quantum Many Body Systems, Quantum Information Processors, Multipartite Entanglement, Dissipative Processes, Quantum Kolmogorov Complexity, Quantum Simulation

Abstract Endbericht

Dieses Forschungsprojekt ist dem Gebiet der QuantenInformationsTheorie (QIT) zuzuordnen. QIT ist ein junges Forschungsgebiet dessen Ziel es ist, die klassische Informationstheorie mit der Quantenphysik zu vereinen. Diese Kombination eröffnet neue, wichtige und faszinierende Möglichkeiten zur Informationsverarbeitung, die auf den speziellen Eigenschaften von Vielteilchenquantensystemen beruhen und keine klassischen Analoga besitzen. Zum Beispiel ermöglicht die Quantenphysik eine sichere Übertragung von Information. Weiters scheint ein Quantencomputer bestimmte Probleme viel schneller lösen zu können als ein klassischer Computer. Quantensimulatoren können verwendet werden, um komplexe Systeme zu simulieren. Zusätzlich zu diesen Anwendungen hat es sich kürzlich herausgestellt, dass die Methoden und Konzepte, die in der QIT entwickelt wurden, auch Anwendungen in anderen Gebieten der Physik finden, wie zum Beispiel in der Theorie der kondensierten Materie. Nach den Gesetzen der Quantenphysik, die heutzutage die beste Theorie zur Beschreibung der Natur darstellt, ist es möglich, dass Systeme viel stärker miteinander korreliert sein können, als dies klassisch möglich wäre. Diese quantenmechanische Korrelation nennt man Verschränkung. Da die meisten der oben erwähnten Anwendungen auf diesen subtilen Eigenschaften von Vielteilchenzuständen basieren, ist die Untersuchung dieser Eigenschaften eines der Hauptziele der QIT. Trotz der Relevanz wissen wir heutzutage nur sehr wenig darüber, wie mehrere Teilchen miteinander verschränkt sein können. Ziel dieses Projektes ist es, neue theoretische Methoden für die Beschreibung und Untersuchung von Vielteilchenquantensystemen zu entwickeln und zu erweitern, um einerseits neue Anwendungen der QIT zu finden und andererseits zu analysieren, wie brauchbar die Quantenzustände für die Ausführung gewisser Anwendungen der QIT sind. Außerdem sollen neue, experimentell realisierbare Methoden zur Erzeugung und Manipulation von Quantensystemen vorgeschlagen werden. Im ersten Teil des Projektes werden fundamentale Probleme der QIT behandelt: die Charakterisierung der Verschränkung und der Komplexität von Vielteilchensystemen. Zum Beispiel werden hier die Eigenschaften von bestimmten (physikalisch motivierten) Klassen von Zuständen untersucht, um einerseits neue Anwendungen und damit andererseits neue Verschränkungsmaße zu finden. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnis sollen die Eigenschaften allgemeiner Zustände untersucht werden. Im zweiten Teil werden die neuen experimentellen Möglichkeiten, die sich innerhalb der letzten Jahre entwickelt haben, verwendet, um neue Methoden für die Erzeugung und Manipulation von Vielteilchenzuständen zu erarbeiten und zu erweitern. Weiters wird die experimentelle Realisierung von Quanteninformationsprozessoren untersucht. Insbesondere werden hier Experimente, die Ionenfallen bzw. optische Gitter verwenden, genauer betrachtet werden. Schon die teilweise erfolgreiche Durchführung dieses Forschungsprojekts wird entscheidend zu den Forschungszielen der QIT beitragen. Die neuen Methoden und Konzepte, welche hier entwickelt und ausgearbeitet werden, werden nicht nur Anwendung in der abstrakten Untersuchung von Vielteilchenzuständen finden, sondern auch neue Zugänge für die experimentelle Umsetzung von quanteninformationsverarbeitenden Systemen schaffen. Weiters werden die hier erzielten Resultate auch neue Einblicke in die klassische Informationstheorie und in die Theorie der kondensierten Materie liefern.

Dieses Forschungsprojekt ist im Gebiet der Quanteninformationstheorie, welche die Informationstheorie mit der Quantenphysik verbindet, angesiedelt. Diese Verbindung bietet faszinierende Möglichkeiten zur Informationsverarbeitung, welche keine klassischen Pendants besitzen. Die theoretischen Methoden der Quanteninformationstheorie finden auch entscheidende Anwendungen in anderen Gebieten der Physik, wie zum Beispiel der Kondensierten Materie. Vielendieser praktischen und theoretischen Anwendungenliegt die Vielteilchenverschränkung zu Grunde, zu der es kein klassisches Gegenstück gibt. Deshalb ist ihre Qualifizierung und Quantifizierung ein wichtiges Ziel der Quanteninformationstheorie. Um größere quantenmechanische Prozessoren zu realisieren, sind zusätzliche theoretische und experimentelle Forschungen notwendig. Aus diesen Gründen waren die Hauptziele dieses Forschungsprojekts die Entwicklung neuer theoretischer Methoden zur Beschreibung und Untersuchung von quantenmechanischen Vielteilchensystemen. Die wichtigsten Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden. Um Vielteilchenverschränkung besser zu verstehen, haben wir die sogenannten LOCC- Operationen sehr genau untersucht. Hierbei handelt es sich um jene Operationen, die realisiert werden können ohne Verschränkung zu verwenden. Sie spielen deshalb eine entscheidende Rolle in der Verschränkungstheorie. Da die Charakterisierung dieser Operationen sehr schwierig ist, wurden vor Beginn dieses Forschungsprojekts nur ganz vereinzelt LOCC-Transformationen zwischen Vielteilchenzuständen betrachtet. Wir konnten zeigen, dass solche Transformationen fast nie möglich sind. Diese Untersuchungen ermöglichten es uns dann eine vollständige Menge von Verschränkungsmaßen für generische Vielteilchenzustände herzuleiten. Diese Ergebnisse (und die daraus resultierenden) führen nicht nur zum besseren Verständnis von Vielteilchenverschränkung, sondern liefern neue Methoden um Korrelationen in quantenmechanischen Vielteilchensystemen, wie sie zum Beispiel in der Kondensierten Materie vorkommen, zu untersuchen. Im Bereich der quantenmechanischen Berechnungen wurden neue Algorithmen identifiziert, die mit Hilfe eines viel kleineren Quantencomputers ausgeführt werden können. Diese Art der Berechnung ist von großer praktischer Relevanz, da sie die Beobachtung von Quanten-Phasenübergängen von großen Systemen mit heutigen Technologien erlaubt. Wir haben diese Idee verallgemeinert und bewiesen, dass auch andere Systeme und zeitliche Entwicklungen so simuliert werden können. Weiters haben wir gezeigt, dass diese komprimierte Art der Berechnung auch in der Quanten-Metrologie Anwendung findet. Im Laufe dieses Forschungsprojekts wurden 30 Publikationen in renommierten Journalen veröffentlicht. Aufgrund der Wichtigkeit der Forschungsergebnisse wurden die Mitglieder der Forschungsgruppe zu zahlreichen Vorträgen auf internationalen Konferenzen und Workshops und anderen Konferenzbeiträgen eingeladen um die Ergebnisse dort zu präsentieren.

Forschungsstätte(n)
  • Universität Innsbruck - 100%

Research Output

  • 1056 Zitationen
  • 28 Publikationen
Publikationen
  • 2012
    Titel Complete Set of Operational Measures for the Characterization of Three-Qubit Entanglement
    DOI 10.1103/physrevlett.108.060501
    Typ Journal Article
    Autor De Vicente J
    Journal Physical Review Letters
    Seiten 060501
    Link Publikation
  • 2015
    Titel Algebraic metrology: Nonoptimal but pretty good states and bounds
    DOI 10.1103/physreva.92.022323
    Typ Journal Article
    Autor Skotiniotis M
    Journal Physical Review A
    Seiten 022323
    Link Publikation
  • 2015
    Titel Compressed simulation of thermal and excited states of the one-dimensional XY model
    DOI 10.1103/physreva.92.032323
    Typ Journal Article
    Autor Boyajian W
    Journal Physical Review A
    Seiten 032323
    Link Publikation
  • 2015
    Titel Source and accessible entanglement of few-body systems
    DOI 10.1103/physreva.92.062340
    Typ Journal Article
    Autor Sauerwein D
    Journal Physical Review A
    Seiten 062340
    Link Publikation
  • 2017
    Titel Almost all multipartite qubit quantum states have trivial stabilizer
    DOI 10.1063/1.5003015
    Typ Journal Article
    Autor Gour G
    Journal Journal of Mathematical Physics
    Seiten 092204
    Link Publikation
  • 2017
    Titel Entangled Pure State Transformations via Local Operations Assisted by Finitely Many Rounds of Classical Communication
    DOI 10.1103/physrevlett.118.040503
    Typ Journal Article
    Autor Spee C
    Journal Physical Review Letters
    Seiten 040503
    Link Publikation
  • 2017
    Titel Multipartite correlations in mutually unbiased bases
    DOI 10.1103/physreva.95.042315
    Typ Journal Article
    Autor Sauerwein D
    Journal Physical Review A
    Seiten 042315
    Link Publikation
  • 2017
    Titel Subradiance via Entanglement in Atoms with Several Independent Decay Channels
    DOI 10.1103/physrevlett.118.143602
    Typ Journal Article
    Autor Hebenstreit M
    Journal Physical Review Letters
    Seiten 143602
    Link Publikation
  • 2017
    Titel Entanglement manipulation of multipartite pure states with finite rounds of classical communication
    DOI 10.1103/physreva.95.012323
    Typ Journal Article
    Autor De Vicente J
    Journal Physical Review A
    Seiten 012323
    Link Publikation
  • 2017
    Titel Compressed quantum computation using a remote five-qubit quantum computer
    DOI 10.1103/physreva.95.052339
    Typ Journal Article
    Autor Hebenstreit M
    Journal Physical Review A
    Seiten 052339
    Link Publikation
  • 2016
    Titel Few-Body Entanglement Manipulation
    DOI 10.1007/978-3-319-38987-5_22
    Typ Book Chapter
    Autor Spee C
    Verlag Springer Nature
    Seiten 365-380
  • 2016
    Titel The maximally entangled set of 4-qubit states
    DOI 10.1063/1.4946895
    Typ Journal Article
    Autor Spee C
    Journal Journal of Mathematical Physics
    Seiten 052201
    Link Publikation
  • 2018
    Titel Coarse graining of entanglement classes in 2×m×n systems
    DOI 10.1103/physreva.97.032330
    Typ Journal Article
    Autor Hebenstreit M
    Journal Physical Review A
    Seiten 032330
    Link Publikation
  • 2018
    Titel Transformations among Pure Multipartite Entangled States via Local Operations are Almost Never Possible
    DOI 10.1103/physrevx.8.031020
    Typ Journal Article
    Autor Sauerwein D
    Journal Physical Review X
    Seiten 031020
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Entanglement and nonclassical properties of hypergraph states
    DOI 10.1088/1751-8113/47/33/335303
    Typ Journal Article
    Autor Gühne O
    Journal Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical
    Seiten 335303
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Optimal quantum states for frequency estimation
    DOI 10.1088/1367-2630/16/8/083010
    Typ Journal Article
    Autor Fröwis F
    Journal New Journal of Physics
    Seiten 083010
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Gaussian local unitary equivalence of n-mode Gaussian states and Gaussian transformations by local operations with classical communication
    DOI 10.1103/physreva.89.012335
    Typ Journal Article
    Autor Giedke G
    Journal Physical Review A
    Seiten 012335
    Link Publikation
  • 2014
    Titel Improved Quantum Metrology Using Quantum Error Correction
    DOI 10.1103/physrevlett.112.080801
    Typ Journal Article
    Autor Dür W
    Journal Physical Review Letters
    Seiten 080801
    Link Publikation
  • 2011
    Titel Decoherence of many-body systems due to many-body interactions
    DOI 10.1103/physreva.84.012105
    Typ Journal Article
    Autor Carle T
    Journal Physical Review A
    Seiten 012105
    Link Publikation
  • 2011
    Titel Compressed Quantum Simulation of the Ising Model
    DOI 10.1103/physrevlett.107.250503
    Typ Journal Article
    Autor Kraus B
    Journal Physical Review Letters
    Seiten 250503
    Link Publikation
  • 2016
    Titel Maximally entangled set of tripartite qutrit states and pure state separable transformations which are not possible via local operations and classical communication
    DOI 10.1103/physreva.93.012339
    Typ Journal Article
    Autor Hebenstreit M
    Journal Physical Review A
    Seiten 012339
    Link Publikation
  • 2013
    Titel Maximally Entangled Set of Multipartite Quantum States
    DOI 10.1103/physrevlett.111.110502
    Typ Journal Article
    Autor De Vicente J
    Journal Physical Review Letters
    Seiten 110502
    Link Publikation
  • 2013
    Titel Remote entanglement preparation
    DOI 10.1103/physreva.88.010305
    Typ Journal Article
    Autor Spee C
    Journal Physical Review A
    Seiten 010305
    Link Publikation
  • 2013
    Titel Compressed simulation of evolutions of the XY model
    DOI 10.1103/physreva.88.052329
    Typ Journal Article
    Autor Boyajian W
    Journal Physical Review A
    Seiten 052329
    Link Publikation
  • 2013
    Titel Graph-state formalism for mutually unbiased bases
    DOI 10.1103/physreva.88.052323
    Typ Journal Article
    Autor Spengler C
    Journal Physical Review A
    Seiten 052323
    Link Publikation
  • 2013
    Titel Purification to locally maximally entangleable states
    DOI 10.1103/physreva.87.012328
    Typ Journal Article
    Autor Carle T
    Journal Physical Review A
    Seiten 012328
  • 2015
    Titel Operational Multipartite Entanglement Measures
    DOI 10.1103/physrevlett.115.150502
    Typ Journal Article
    Autor Schwaiger K
    Journal Physical Review Letters
    Seiten 150502
    Link Publikation
  • 2018
    Titel Mode entanglement of Gaussian fermionic states
    DOI 10.1103/physreva.97.042325
    Typ Journal Article
    Autor Spee C
    Journal Physical Review A
    Seiten 042325
    Link Publikation

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