Interference & interactions: robust signatures of coherence & correlations in many-body quantum systems

Abstract: Disentangling the sources of complexity in the dynamics of quantum many-body systems, and identifying those which are of genuinely quantum character, is both of fundamental interest and important for potential applications. Interference, which is rooted in the coherence of the many-body quantum state, and particle-particle interactions are two main ingredients for complex behaviour. In this dissertation, we develop a theory of many-body coherence, based on specific quantum correlations of the system's state, and study its intimate links to the state's entanglement structure. We identify the robust statistical signatures of such many-body quantum correlations in experimentally accessible - and scalable - marginal measurement distributions of the dynamically evolved quantum state. To do so, we apply the framework of partial distinguishability, i.e. a continuous notion of particle (in)distinguishability inscribed into unobserved degrees of freedom of the particles. This framework provides additional control parameters to systematically manipulate many-body coherence and entanglement properties, and to monitor their joint imprint in the dynamics, which manifests in an intricate superposition of interference processes at various orders. Applying both, analytical methods and data-driven algorithmic approaches, we resolve a given state's many-body coherence structure, quantify the partial distinguishability of its constituent particles, and characterise the system's multipartite entanglement properties. This toolbox ultimately enables us to disentangle the individual fingerprints of many-body interference and interactions, in a prototypical system of interacting quantum particles, in particular at the transition between regular and quantum chaotic dynamics
Abstract: Die Entflechtung der unterschiedlichen Quellen der Komplexität wechselwirkender Vielteilchenquantendynamik und die Bestimmung jener unter ihnen, die tatsächlich quantenmechanischen Charakters sind, ist sowohl von fundamentalem Interesse als auch wichtig für potentielle Anwendungen. Interferenz, angelegt in der Kohärenz des Vielteilchenquantenzustandes, und Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungen sind zwei wesentliche Ursachen komplexen Verhaltens. Ausgehend von wohldefinierten Quantenkorrelationseigenschaften formulieren wir in der vorliegenden Dissertationsschrift eine Theorie der Vielteilchenkohärenz und untersuchen deren enge Verbindungen zur Verschränkungsstruktur von Vielteilchenzuständen. Wir identifizieren robuste statistische Signaturen von Vielteilchenkorrelationen in experimentell zugänglichen - und skalierbaren - Marginalverteilungen der Messstatistik des dynamisch entwickelten Quantenzustandes. Hierzu nützen wir den formalen Apparat der partiellen Unterscheidbarkeit, d.h. eines kontinuierlichen Verständnisses der (Un-) Unterscheidbarkeit von Teilchen, die deren unbeobachteten Freiheitsgraden eingeschrieben ist. Dieser Rahmen führt zusätzliche Parameter ein, um Vielteilchenkohärenz und -verschränkung systematisch zu manipulieren und ihren gemeinsamen Einfluss auf die Dynamik zu untersuchen, der sich in einem komplizierten Wechselspiel von Interferenzprozessen unterschiedlicher Ordnung manifestiert. Mittels analytischer wie auch datengetriebener algorithmischer Methoden lösen wir die Vielteilchenkohärenzstruktur eines gegebenen Zustandes auf, quantifizieren die teilweise Unterscheidbarkeit seiner Konstituenten und charakterisieren seine multipartiten Verschränkungseigenschaften. Diese Werkzeuge ermöglichen es uns schließlich, die individuellen Signaturen von Vielteilcheninterferenz und Wechselwirkungen in einem prototypischen, wechselwirkenden Vielteilchenquantensystem - insbesondere am Übergang zwischen regulärer und quantenchaotischer Dynamik – zu unterscheiden

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2023

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Quantenmechanisches System ; Vielteilchensystem ; Verschränkter Zustand ; Kohärenz ; Quantenmechanik ; Quantenphysik ; Quantenchaos ; Interferenz ; Vielteilchentheorie ; Physik

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2023
• Urheber: Brunner, Eric
• Beteiligte Personen und Organisationen: Buchleitner, Andreas ; Buchleitner, Andreas ; Filk, Thomas ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Physikalisches Institut ; Quantum Optics and Statistics ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Mathematik und Physik

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/238244
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2382447
• Rechteinformation: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:49 MEZ