dc.contributor.author
Friesdorf, Mathis
dc.date.accessioned
2018-06-08T01:36:25Z
dc.date.available
2016-04-29T09:10:01.899Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/13595
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-17793
dc.description.abstract
This thesis investigates quantum-many body systems out of equilibrium in a
variety of physically relevant and intriguing settings. It provides an
overview of the recent developments in this field and based on the author’s
recent review illuminates many interesting connections and summarises open
questions. In this general framework, the various results of the author are
embedded. While they often rely on advanced mathematics, great care is taken
to present them in an intuitive way and most technical material is discussed
separately in appendices. In the context of equilibration, work created as
part of this thesis is able to capture the Gaussification of correlated
initial states for a large class of free models. This allows to significantly
extend equilibration results of free models, which are of crucial importance,
as they provide reasonable relaxation time scales and immediately connect to
our physical intuition in terms of ballistic spreading. Building on two
surprising connections between static and dynamic features of Hamiltonians,
which in general are hard to obtain, the results of this thesis further
greatly contribute to the recent debate on the true nature of quantum many-
body localisation. For those interacting models, we derive the localised
structure of eigenstates from a dynamical suppression of information
propagation on the low-energy sector. Further, we show how a non-degenerate
spectrum, indicating the presence of interactions, and the existence of an
approximately local constant of motion are sufficient to show information
propagation, if arbitrary energies are allowed. In the context of quantum
phase transitions, we continue such connections between static and dynamic
features. We specifically investigate the Mott-superfluid transition of the
Bose-Hubbard model and ask to what extent it has a universal dynamical
signature. In a joint experimental, numerical and analytical effort, complex
behaviour of these dynamics is uncovered, thus challenging the common believe
that the Kibble-Zurek mechanism is sufficient to fully capture such
transitions. We embed such experimental investigation in the recent debate on
quantum simulators, which give the exciting perspective of solving notoriously
and even provably hard problems efficiently in the laboratory. For such
devices, we argue that the final read-out of the results is an important out-
standing problem to be solved. We approach this issue in the case of a
continuous quantum field, in which the notion of reconstructing the quantum
state is even conceptually unclear. Based on tensor network methods, we
demonstrate that in an experiment of ultra-cold atoms in a continuous setup,
states can nevertheless efficiently be obtained. Thus, this thesis constitutes
not only an important review of the field of quantum many-body systems out of
equilibrium, but, using advanced mathematical and numerical tools, has
significantly contributed to our understanding of various important out-
standing questions in interacting many-body systems.
de
dc.description.abstract
In dieser Doktorarbeit werden Quantenvielteilchensysteme außerhalb des
Equilibriums in verschiedenem physikalischen Kontext untersucht. Aufbauend auf
einem Übersichtsartikel zu diesem Feld, an dem der Autor dieser Arbeit
beteiligt war, werden wichtige Entwicklungen dargestellt, wesentliche
Querverbindungen gezogen und offene Fragen präsentiert. In diesen Rahmen sind
die analytischen und numerischen Arbeiten des Autors eingebettet. Trotz ihrer
teils tiefgehend mathematischen Natur wurde großer Wert darauf gelegt, diese
auf intuitive Weise zu präsentieren. Technische Details werden daher separat
in Anhängen diskutiert. Im Bereich der Equilibrierung gelang es zu zeigen,
dass korrelierte Anfangszustände durch die Entwicklung unter freien
fermionischen Modellen lokal gegen einen Gaußschen Zustand streben. Damit
können Gaußsche Equilibrierungsergebnisse verallgemeinert werden, woraus sich
wichtige Intuition für den wechselwirkenden Fall ableiten lässt. Aufbauend auf
zwei unerwarteten Verbindungen zwischen statischen und dynamischen
Eigenschaften von Hamiltonoperatoren, welche im Allgemeinen schwer zu
etablieren sind, trägt diese Arbeit signifikant zur Debatte bei, wie
Vielteilchenlokalisierung zu fassen ist. Es wird gezeigt, dass
Lokalisierungseigenschaften von Eigenzuständen aus einer dynamischen
Lokalisierung unterhalb einer Energieschranke hergeleitet werden können.
Darüber hinaus wird hergeleitet, dass die Anwesenheit einer lokalen
Erhaltunsgröße zusammen mit einem nichtentarteten Spektrum ausreicht, um
dynamische Ausbreitung von Information zu garantieren. Im Bereich der
Quantenphasenübergänge wird der Zusammenhang von dynamischen und statischen
Eigenschaften wechselwirkender Modelle tiefergehend untersucht. In einer
vereinten experimentellen, analytischen und numerischen Arbeit wird die
Dynamik des Phasenübergangs des Bose-Hubbard Modells analysiert. Hierbei tritt
komplexes Verhalten zu Tage, das bisher weder durch den Kibble-Zurek
Mechanismus, noch durch andere Theorien erklärt werden kann. Diese
experimentelle Untersuchung wird in den weiter gefassten Rahmen von
Quantensimulatoren eingebettet. Solche Simulatoren zeigen eine Perspektive
auf, harte quantenmechanische Probleme im Labor effizient zu lösen. Der finale
Schritt einer solchen Quantensimulation ist die Rekonstruktion der
Simulationsergebnisse. Wir untersuchen diesen für ultrakalte Atome in einer
kontinuierlichen Falle. Ausgehend von Tensornetzwerkmethoden zeigen wir, dass
(trotz der Schwierigkeiten kontinuierlicher Architekturen) effiziente
Quantenfeldtomographie durchgeführt werden kann und wir demonstrieren diese
darüber hinaus auch direkt experimentell. Zusammenfassend gibt diese Arbeit
nicht nur einen umfassenden Überblick über Quantenvielteilchensysteme
außerhalb des Gleichgewichts, sondern nutzt darüber hinaus elaborierte
mathematische Methoden und numerische Simulationen, um unser Verständnis von
Vielteilchensystemen signifikant zu erweitern.
de
dc.format.extent
VIII, 182 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
quantum information
dc.subject
out-of-equilibrium
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::539 Moderne Physik
dc.title
Closed quantum many-body systems out of equilibrium
dc.contributor.contact
MathisFriesdorf@gmail.com
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Jens Eisert
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Felix von Oppen
dc.date.accepted
2016-02-08
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000101805-6
dc.title.subtitle
A quantum information perspective
dc.title.translated
Geschlossene Vielteilchenquantensysteme außerhalb des Gleichgewichts
de
dc.title.translatedsubtitle
Ein Einblick mittels Quanteninformationstheorie
de
refubium.affiliation
Physik
de
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FUDISS_thesis_000000101805
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