Stuttgart, University, Diss., 2003.

Stuttgart, University, Diss., 2003.

The capabilities of a new approach towards the foundations of Statistical Mechanics are explored. The approach is genuine quantum in the sense that statistical behavior is a consequence of objective quantum uncertainties due to entanglement and uncertainty relations. No additional randomness is added by hand and no assumptions about a priori probabilities are made, instead measure concentration results are used to justify the methods of Statistical Physics. The approach explains the applicability of the microcanonical and canonical ensemble and the tendency to equilibrate in a natural way. This work contains a pedagogical review of the existing literature and some new results. The most important of which are: i) A measure theoretic justification for the microcanonical ensemble. ii) Bounds on the subsystem equilibration time. iii) A proof that a generic weak interaction causes decoherence in the energy eigenbasis. iv) A proof of a quantum H-Theorem. v) New estimates of the average effective dimension for initial product states and states from the mean energy ensemble. vi) A proof that time and ensemble averages of observables are typically close to each other. vii) A bound on the fluctuations of the purity of a system coupled to a bath. / Es wird ein neuer Ansatz die Methoden der Statistischen Physik aus der Quan- tenmechanik heraus zu rechtfertigen untersucht. Der gewählte Zugang ist echt quantenmechanisch. Statistisches Verhalten wird allein durch objektive quanten- mechanische Zufälligkeit auf Grund von Verschränkung und Unbestimmtheitsre- lationen erklärt. Es werden keine Annahmen über subjective Unwissenheit oder a priori Wahrscheinlichkeiten gemacht. Der Ansatz ist in der Lage eine maß- theoretische Rechtfertigung für die Anwendbarkeit des mikrokanonischen und des kanonischen Ensembles zu geben und erklärt auf natürliche Weise das Streben ins Gleichgewicht. Diese Arbeit enthält einen Überblick über die vorhandene Literatur und eine Reihe von neuen Resultaten. Die wichtigsten neuen Ergebnisse sind: i) Eine maßtheoretische Begründung für die Anwendbarkeit des mikrokanonischen En- sembles. ii) Schranken für die Zeit bis ins Gleichgewicht. iii) Aufzeigen eines generischen Dekohärenz-Mechanismus in der lokalen Energie-Eigenbasis bei schwa- cher Kopplung. iv) Beweis eines quantenmechanischen H-Theorems. v) Neue Abschätzungen der mittleren effektiven Dimension für Produktzustände und im “mittlere Energie”-Ensemble. vi) Ein Beweis, dass Zeit und Ensemblemittel typ- ischerweise nahezu zusammenfallen. vii) Eine Schranke für die Fluktuationen der Reinheit eines an ein Bad gekoppelten Systems.

Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2008

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In dieser Arbeit wird das Design und die Präparation von nicht-klassischen Zuständen von Licht in verschiedenen Szenarien untersucht. Zunächst wird die theoretische Beschreibung eines Interferometers entwickelt, welches für die Messung der Teilchenaustauschphase von Photonen entworfen wurde. Die Analyse der experimentellen Daten offenbart den bosonischen Charakter von Photonen, sowie die geometrische Phase, welche mit dem physischen Austausch zweier Quantenzustände assoziiert ist. Nach dieser Feststellung der Austauschsymmetrie von Zweiphotonenzuständen folgt die Ausarbeitung der Theorie über die Propagation von Mehrphotonenzuständen in Multiportsystemen. Dabei offenbaren sich hoch-dimensionale, synthetische, gekoppelte Strukturen die sich aus der Mehrphotonenanregung von diskreten Systemen ergeben. Basierend auf diesen Resultaten wird eine konkrete Anwendung der Theorie im Kontext von nicht-hermitischen Systemen formuliert. Dabei ergeben sich sogenannte “exceptional points” höherer Ordnung, welche Anwendungen im Bereich der Sensorik finden und ferner nur im Raum der Photonenanzahlzustände von diskreten Systemen realisiert werden können. Neben der Sensorik ist der Transport von Lichtzuständen ein wichtiger Aspekt in der Verarbeitung von Quanteninformationen. In dieser Hinsicht werden hier Photonische Topologische Isolatoren untersucht, welche eine rückstreuungsfreie Propagation entlang ihrer Ränder erlauben. Es wird gezeigt, dass partiell kohärentes Licht, Gaussisch und Nicht-Gaussisch verschränkte Zweiphotonenzustände einen solchen topologischen Schutz genießen können. Dies gilt unter der Vorraussetzung, dass die Anfangsanregung in einem wohldefinierten Bereich des topologischen Schutzes liegt, wodurch das “klassische” Bandlücken-kriterium erweitert und gestärkt wird. / In this work we study the design and preparation of non-classical states of light in several scenarios. We begin by developing the theoretical description of an interferometer, which is designed to measure the particle exchange phase of photons. The analysis of the experimental data reveals the bosonic nature of photons, as well as the geometric phase associated with the physical exchange of the quantum states of two photons. Having established the exchange symmetry of two-photon states, we proceed to develop the theory of multi-photon states propagating in multi-port systems. We unveil the high- dimensional synthetic coupled structures that arise via the multi-photon excitation of discrete systems. Using these results, we formulate an application of the theory in the context of non-hermitian systems. We find so-called high-order exceptional points, which find applications in sensing and can only be achieved in the photon-number space of discrete systems. Apart from sensing, an important ingredient for the processing of quantum information is the transport of light states. In this regard, we consider photonic topological insulators, which allow the back-scattering-free propagation along their edges. We show that partially coherent light, Gaussian- as well as non-Gaussian two-photon entangled states can enjoy such a topological protection, provided that the initial excitations fit inside a well defined topological window of protection, which strengthens the “classical” band-gap protection criterion.

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Bose-Einstein condensation is a collective quantum phenomenon where a macroscopic number of bosons occupies the lowest quantum state. For fixed temperature, bosons condense above a critical particle density. This phenomenon is a consequence of the Bose-Einstein distribution which dictates that excited states can host only a finite number of particles so that all remaining particles must form a condensate in the ground state. This reasoning applies to thermal equilibrium. We investigate the fate of Bose condensation in nonisolated systems of noninteracting Bose gases driven far away from equilibrium. An example of such a driven-dissipative scenario is a Floquet system coupled to a heat bath. In these time-periodically driven systems, the particles are distributed among the Floquet states, which are the solutions of the Schrödinger equation that are time periodic up to a phase factor. The absence of the definition of a ground state in Floquet systems raises the question, whether Bose condensation survives far from equilibrium. We show that Bose condensation generalizes to an unambiguous selection of multiple states each acquiring a large occupation proportional to the total particle number. In contrast, the occupation numbers of nonselected states are bounded from above. We observe this phenomenon not only in various Floquet systems, i.a. time-periodically-driven quartic oscillators and tight-binding chains, but also in systems coupled to two baths where the population of one bath is inverted. In many cases, the occupation numbers of the selected states are macroscopic such that a fragmented condensation is formed according to the Penrose-Onsager criterion. We propose to control the heat conductivity through a chain by switching between a single and several selected states. Furthermore, the number of selected states is always odd except for fine-tuning. We provide a criterion, whether a single state (e.g., Bose condensation) or several states are selected. In open systems, which exchange also particles with their environment, the nonequilibrium steady state is determined by the interplay between the particle-number-conserving intermode kinetics and particle-number-changing pumping and loss processes. For a large class of model systems, we find the following generic sequence when increasing the pumping: For small pumping, no state is selected. The first threshold, where the stimulated emission from the gain medium exceeds the loss in a state, is equivalent to the classical lasing threshold. Due to the competition between gain, loss and intermode kinetics, further transitions may occur. At each transition, a single state becomes either selected or deselected. Counterintuitively, at sufficiently strong pumping, the set of selected states is independent of the details of the gain and loss. Instead, it is solely determined by the intermode kinetics like in closed systems. This implies equilibrium condensation when the intermode kinetics is caused by a thermal environment. These findings agree well with observations of exciton-polariton gases in microcavities. In a collaboration with experimentalists, we observe and explain the pump-power-driven mode switching in a bimodal quantum-dot micropillar cavity. / Die Bose-Einstein-Kondensation ist ein Quantenphänomen, bei dem eine makroskopische Zahl von Bosonen den tiefsten Quantenzustand besetzt. Die Teilchen kondensieren, wenn bei konstanter Temperatur die Teilchendichte einen kritischen Wert übersteigt. Da die Besetzungen von angeregten Zuständen nach der Bose-Einstein-Statistik begrenzt sind, bilden alle verbleibenden Teilchen ein Kondensat im Grundzustand. Diese Argumentation ist im thermischen Gleichgewicht gültig. In dieser Arbeit untersuchen wir, ob die Bose-Einstein-Kondensation in nicht wechselwirkenden Gasen fern des Gleichgewichtes überlebt. Diese Frage stellt sich beispielsweise in Floquet-Systemen, welche Energie mit einer thermischen Umgebung austauschen. In diesen zeitperiodisch getriebenen Systemen verteilen sich die Teilchen auf Floquet-Zustände, die bis auf einen Phasenfaktor zeitperiodischen Lösungen der Schrödinger-Gleichung. Die fehlende Definition eines Grundzustandes wirft die Frage nach der Existenz eines Bose-Kondensates auf. Wir finden eine Generalisierung der Bose-Kondensation in Form einer Selektion mehrerer Zustände. Die Besetzung in jedem selektierten Zustand ist proportional zur Gesamtteilchenzahl, während die Besetzung aller übrigen Zustände begrenzt bleibt. Wir beobachten diesen Effekt nicht nur in Floquet-Systemen, z.B. getriebenen quartischen Fallen, sondern auch in Systemen die an zwei Wärmebäder gekoppelt sind, wobei die Besetzung des einen invertiert ist. In vielen Fällen ist die Teilchenzahl in den selektierten Zuständen makroskopisch, sodass nach dem Penrose-Onsager Kriterium ein fragmentiertes Kondensat vorliegt. Die Wärmeleitfähigkeit des Systems kann durch den Wechsel zwischen einem und mehreren selektierten Zuständen kontrolliert werden. Die Anzahl der selektierten Zustände ist stets ungerade, außer im Falle von Feintuning. Wir beschreiben ein Kriterium, welches bestimmt, ob es nur einen selektierten Zustand (z.B. Bose-Kondensation) oder viele selektierte Zustände gibt. In offenen Systemen, die auch Teilchen mit der Umgebung austauschen, ist der stationäre Nichtgleichgewichtszustand durch ein Wechselspiel zwischen der (Teilchenzahl-erhaltenden) Intermodenkinetik und den (Teilchenzahl-ändernden) Pump- und Verlustprozessen bestimmt. Für eine Vielzahl an Modellsystemen zeigen wir folgendes typisches Verhalten mit steigender Pumpleistung: Zunächst ist kein Zustand selektiert. Die erste Schwelle tritt auf, wenn der Gewinn den Verlust in einer Mode ausgleicht und entspricht der klassischen Laserschwelle. Bei stärkerem Pumpen treten weitere Übergänge auf, an denen je ein einzelner Zustand entweder selektiert oder deselektiert wird. Schließlich ist die Selektion überraschenderweise unabhängig von der Charakteristik des Pumpens und der Verlustprozesse. Die Selektion ist vielmehr ausschließlich durch die Intermodenkinetik bestimmt und entspricht damit den oben beschriebenen geschlossenen Systemen. Ist die Kinetik durch ein thermisches Bad hervorgerufen, tritt wie im Gleichgewicht eine Grundzustands-Kondensation auf. Unsere Theorie ist in Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen von Exziton-Polariton-Gasen in Mikrokavitäten. In einer Kooperation mit experimentellen Gruppen konnten wir den Modenwechsel in einem bimodalen Quantenpunkt-Mikrolaser erklären.

Bose-Einstein condensation is a collective quantum phenomenon where a macroscopic number of bosons occupies the lowest quantum state. For fixed temperature, bosons condense above a critical particle density. This phenomenon is a consequence of the Bose-Einstein distribution which dictates that excited states can host only a finite number of particles so that all remaining particles must form a condensate in the ground state. This reasoning applies to thermal equilibrium. We investigate the fate of Bose condensation in nonisolated systems of noninteracting Bose gases driven far away from equilibrium. An example of such a driven-dissipative scenario is a Floquet system coupled to a heat bath. In these time-periodically driven systems, the particles are distributed among the Floquet states, which are the solutions of the Schrödinger equation that are time periodic up to a phase factor. The absence of the definition of a ground state in Floquet systems raises the question, whether Bose condensation survives far from equilibrium. We show that Bose condensation generalizes to an unambiguous selection of multiple states each acquiring a large occupation proportional to the total particle number. In contrast, the occupation numbers of nonselected states are bounded from above. We observe this phenomenon not only in various Floquet systems, i.a. time-periodically-driven quartic oscillators and tight-binding chains, but also in systems coupled to two baths where the population of one bath is inverted. In many cases, the occupation numbers of the selected states are macroscopic such that a fragmented condensation is formed according to the Penrose-Onsager criterion. We propose to control the heat conductivity through a chain by switching between a single and several selected states. Furthermore, the number of selected states is always odd except for fine-tuning. We provide a criterion, whether a single state (e.g., Bose condensation) or several states are selected. In open systems, which exchange also particles with their environment, the nonequilibrium steady state is determined by the interplay between the particle-number-conserving intermode kinetics and particle-number-changing pumping and loss processes. For a large class of model systems, we find the following generic sequence when increasing the pumping: For small pumping, no state is selected. The first threshold, where the stimulated emission from the gain medium exceeds the loss in a state, is equivalent to the classical lasing threshold. Due to the competition between gain, loss and intermode kinetics, further transitions may occur. At each transition, a single state becomes either selected or deselected. Counterintuitively, at sufficiently strong pumping, the set of selected states is independent of the details of the gain and loss. Instead, it is solely determined by the intermode kinetics like in closed systems. This implies equilibrium condensation when the intermode kinetics is caused by a thermal environment. These findings agree well with observations of exciton-polariton gases in microcavities. In a collaboration with experimentalists, we observe and explain the pump-power-driven mode switching in a bimodal quantum-dot micropillar cavity. / Die Bose-Einstein-Kondensation ist ein Quantenphänomen, bei dem eine makroskopische Zahl von Bosonen den tiefsten Quantenzustand besetzt. Die Teilchen kondensieren, wenn bei konstanter Temperatur die Teilchendichte einen kritischen Wert übersteigt. Da die Besetzungen von angeregten Zuständen nach der Bose-Einstein-Statistik begrenzt sind, bilden alle verbleibenden Teilchen ein Kondensat im Grundzustand. Diese Argumentation ist im thermischen Gleichgewicht gültig. In dieser Arbeit untersuchen wir, ob die Bose-Einstein-Kondensation in nicht wechselwirkenden Gasen fern des Gleichgewichtes überlebt. Diese Frage stellt sich beispielsweise in Floquet-Systemen, welche Energie mit einer thermischen Umgebung austauschen. In diesen zeitperiodisch getriebenen Systemen verteilen sich die Teilchen auf Floquet-Zustände, die bis auf einen Phasenfaktor zeitperiodischen Lösungen der Schrödinger-Gleichung. Die fehlende Definition eines Grundzustandes wirft die Frage nach der Existenz eines Bose-Kondensates auf. Wir finden eine Generalisierung der Bose-Kondensation in Form einer Selektion mehrerer Zustände. Die Besetzung in jedem selektierten Zustand ist proportional zur Gesamtteilchenzahl, während die Besetzung aller übrigen Zustände begrenzt bleibt. Wir beobachten diesen Effekt nicht nur in Floquet-Systemen, z.B. getriebenen quartischen Fallen, sondern auch in Systemen die an zwei Wärmebäder gekoppelt sind, wobei die Besetzung des einen invertiert ist. In vielen Fällen ist die Teilchenzahl in den selektierten Zuständen makroskopisch, sodass nach dem Penrose-Onsager Kriterium ein fragmentiertes Kondensat vorliegt. Die Wärmeleitfähigkeit des Systems kann durch den Wechsel zwischen einem und mehreren selektierten Zuständen kontrolliert werden. Die Anzahl der selektierten Zustände ist stets ungerade, außer im Falle von Feintuning. Wir beschreiben ein Kriterium, welches bestimmt, ob es nur einen selektierten Zustand (z.B. Bose-Kondensation) oder viele selektierte Zustände gibt. In offenen Systemen, die auch Teilchen mit der Umgebung austauschen, ist der stationäre Nichtgleichgewichtszustand durch ein Wechselspiel zwischen der (Teilchenzahl-erhaltenden) Intermodenkinetik und den (Teilchenzahl-ändernden) Pump- und Verlustprozessen bestimmt. Für eine Vielzahl an Modellsystemen zeigen wir folgendes typisches Verhalten mit steigender Pumpleistung: Zunächst ist kein Zustand selektiert. Die erste Schwelle tritt auf, wenn der Gewinn den Verlust in einer Mode ausgleicht und entspricht der klassischen Laserschwelle. Bei stärkerem Pumpen treten weitere Übergänge auf, an denen je ein einzelner Zustand entweder selektiert oder deselektiert wird. Schließlich ist die Selektion überraschenderweise unabhängig von der Charakteristik des Pumpens und der Verlustprozesse. Die Selektion ist vielmehr ausschließlich durch die Intermodenkinetik bestimmt und entspricht damit den oben beschriebenen geschlossenen Systemen. Ist die Kinetik durch ein thermisches Bad hervorgerufen, tritt wie im Gleichgewicht eine Grundzustands-Kondensation auf. Unsere Theorie ist in Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen von Exziton-Polariton-Gasen in Mikrokavitäten. In einer Kooperation mit experimentellen Gruppen konnten wir den Modenwechsel in einem bimodalen Quantenpunkt-Mikrolaser erklären.