Neue theoretische Methoden für Quantenvielteilchensysteme
Novel theoretical tools for quantum many-body systems
Wissenschaftsdisziplinen
Informatik (20%); Physik, Astronomie (80%)
Keywords
-
Quantum Many Body Systems,
Quantum Information Processors,
Multipartite Entanglement,
Dissipative Processes,
Quantum Kolmogorov Complexity,
Quantum Simulation
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.
- Universität Innsbruck - 100%
Research Output
- 1056 Zitationen
- 28 Publikationen
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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