It is shown (Proposition (3.9)) that the asymptotic information bound which is valid for the estimation of a parameter in the structure (mixture) model remains valid in the functional model (incidental nuisance parameters) if only perturbation symmetric estimators (Definition (3.6)) are admitted. Pertur- bation symmetry is a property which is closely related to permutation symmetry (Theorem (3.4)). In particular, equicontinuous functions of empirical processes are perturbation symmetric (Theorem (3.3)). Thus, the results of this paper continue a discussion initiated by Bickel and Klaassen (1986), Pfanzagl (1993) and Strasser (1996) on permutation symmetry of estimators and the exclusion of superefficiency in the functional model. (authors' abstract) / Series: Forschungsberichte / Institut für Statistik

In this thesis, we apply the information-theoretic approach in the context of quantum dynamics and wave packet motion: Information-theoretic measures are calculated from position and momentum densities, which are obtained from time-dependent quantum wave functions. The aim of this thesis is to benchmark, analyze and interpret these quantities and relate their features to the wave packet dynamics. Firstly, this is done for the harmonic oscillator (HO) with and without static disorder. In the unperturbed HO, the analytical study of coherent and squeezed states reveals time-dependent entropy expressions related to the localization of the wave function. In the disordered HO, entropies from classical and quantum dynamics are compared for short and long times. In the quantum case, imprints of wave packet revivals are found in the entropy. Then, the energy dependence of the entropy for very long times is discussed. Secondly, this is donefor correlated electron-nuclear motion. Here, entropies derived from the total, electronic and nuclear density, respectively, are calculated in position and momentum space for weak and strong adiabatic electronic coupling. The correlation between electron and nucleus is investigated using different correlation measures, where some of these functions are sensitive to the nodal structure of the wave function. An analytic ansatz to interpret the information-theoretical quantities is applied as well. / In dieser Arbeit wird ein informationstheoretischer Ansatz im Kontext der Quantendynamik und der Bewegung von Wellenpaketen angewendet. Hierbei werden informationstheoretische Maße aus Positions- und Impulsdichten berechnet, die aus zeitabhängigen Wellenfunktionen gewonnen werden. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, diese Größen zu vergleichen, zu analysieren und zu interpretieren und mit der Dynamik des Wellenpaket in Beziehung zu setzen. Zunächst wird dies für den harmonischen Oszillator (HO) mit und ohne statische Störung durchgeführt. Im ungestörten HO zeigen analytische Untersuchungen von kohärenten und gequetschten Zuständen zeitabhängige Entropieausdrücke, die mit der Lokalisierung der Wellenfunktion zusammenhängen. Die Entropien aus der klassischen und der quantenmechanischen Dynamik werden im HO mit statischer Störung für kurze und lange Zeiten verglichen. Quantenmechanisch werden Revivals des anfänglichen Wellenpakets beobachtet. Zudem wird die Energieabhängigkeit der Entropie für große Zeiten diskutiert. Der informationstheoretische Ansatz wird auch auf korrelierte Elektron-Kern-Bewegung angewendet. Dabei werden Entropien im Orts- und Impulsraum für schwache und starke adiabatische elektronische Kopplung aus der Gesamt-, Elektronen- und Kerndichte abgeleitet. Die Korrelation zwischen Elektron und Kern wird mittels verschiedener Korrelationsmaße untersucht. Einige dieser Funktionen reagieren empfindlich auf die Knotenstruktur der Wellenfunktion. Zur Interpretation der informationstheoretischen Größen wird zudem ein analytischer Ansatz angewendet.

In dieser Dissertation wurden zwei Aspekte der Wechselwirkung von Laserpulsen mit Molekülen betrachtet: Erstens wurden numerische Algorithmen, die auf der zeitabhängigen Störungstheorie basieren, zur Berechnung von quantenmechanischen Wellenfunktionen analysiert. Zweitens wurden Effekte der absoluten Phase (Carrier envelope phase = CEP) von Laserpulsen bei der Laseranregung molekularer Systeme analysiert. In den Analysen zum ersten Aspekt wurden zwei verschiedene Algorithmen - in dieser Arbeit als simple und improved algorithm bezeichnet - verwendet, und die Normabweichung von mit diesen Algorithmen berechneten Wellenfunktionen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass diese Normabweichung für beide Algorithmen in zwei unterschiedliche Beiträge zerlegt werden kann. Der erste Normabweichungsbeitrag tritt aufgrund der numerischen Diskretisierung der Zeit auf und verschwindet, wenn der Zeitschritt, der die Dauer der Intervalle für diese Diskretisierung angibt, gegen Null geht. Man kann den ersten Normabweichungsbeitrag mit exzellenter Genauigkeit berechnen und seine Eigenschaften, die sich für die beiden Algorithmen erheblich unterschieden, eingehend analysieren. Der zweite Normabweichungsbeitrag tritt dadurch auf, dass die zeitabhängige Störungstheorie nicht normerhaltend ist, und geht daher gegen Null, wenn die Störungsordnung gegen unendlich geht. Dieser zweite Beitrag ist außerdem in guter Näherung unabhängig vom Zeitschritt und für beide Algorithmen näherungsweise gleich. Des Weiteren kann man das Verhalten des zweiten Normabweichungsbeitrags im Gegensatz zum ersten Beitrag nur qualitativ beschreiben. Für die Analyse zum zweiten Themengebiet dieser Arbeit, den CEP-Effekten, wurde betrachtet, ob CEP-Effekte auch für Laserpulse beliebiger Länge auftreten können. Über eine analytische Betrachtung erkennt man, dass dies für ein Zweiniveausystem nur dann der Fall ist, wenn beide Zustände vor Beginn der Wechselwirkung des Systems mit dem Laserpuls besetzt sind. Man kann aus diesem Ergebnis folgern, dass für einen Laserpuls, der zwei elektronische Zustände eines Moleküls über Einphotonenübergänge koppelt, in der Regel kein CEP-Effekt für beliebige Längen dieses Pulses auftritt. Der Grund dafür ist, dass vor der Wechselwirkung eines molekularen Systems mit einem Laserpuls für dieses üblicherweise nur der elektronische Grundzustand besetzt ist. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass dieses Problem durch ein spezielles Zweipulsschema für die Anregung eines molekularen Systems gelöst werden kann. Für dieses Pulsschema wird ein erster Puls verwendet, der zeitlich so kurz ist, dass Wellenpakete in mehreren elektronischen Zuständen angeregt werden. Der nachfolgende zweite Laserpuls ist spektral schmal, und seine zeitliche Länge kann beliebig groß gewählt werden. Man erhält für dieses Pulsschema Observablen, die von der CEP des zweiten Pulses, aber nicht von der CEP des ersten Pulses abhängen; somit ist ein CEP-Effekt nachweisbar. Derartige Observablen sind geometrische Asymmetrien für Zerfallsprodukte von Photodissoziationsreaktionen. Insbesondere unterscheidet sich das hier vorgestellte Pulsschema von anderen Zweipulsschemata, für welche Observablen von der Differenz der CEPs beider Pulse abhängen, aber nicht von der CEP einer der beiden Pulse allein. / In this dissertation, two aspects for the interaction of laser pulses with molecules were considered: First, we analysed numerical algorithms which are based on time-dependent perturbation theory. Second, carrier envelope phase (= CEP) effects of laser pulses for the laser excitation of molecular systems were studied. In the analyses to the first aspect, two different algorithms referred in this thesis as simple and improved algorithm were used, and the norm deviation occurring for wave functions calculated with these algorithms was examined. As a result, this norm deviation can be divided in two different contributions for both algorithms. The first contribution occurs because of the numerical discretisation of time and disappears when the time step defining the length of the intervals for this discretisation goes to zero. This first contribution can be calculated with excellent accuracy, and its properties, which differ substantially for the two algorithms, can be analysed in detail. The second contribution occurs because time-dependent perturbation theory is not norm conserving. Thus, it goes to zero when the perturbation order goes to infinity. Moreover, this second contribution is in good approximation independent of the time step, and it is approximately equal for both algorithms. Futhermore, in contrast to the first contribution the behaviour of the second contribution can be described only qualitatively. For the analyses to the second aspect of this thesis, namely CEP effects, it was considered if CEP effects can also appear for laser pulses of arbitrary length. An analytical inspection reveals that for a two level system this is only true if both states are occupied before the laser pulse starts to interact with the system. This result allows to conclude that as a rule when a laser pulse couples two electronical states of a molecule by one photon transitions, no CEP effect arises for arbitrary lengths of this laser pulse. The reason for this is that normally only the electronical ground state is occupied before the interaction of the molecular system with the laser pulse starts. In this thesis it is shown that this problem can be solved with a special two-pulse-scheme for the excitation of a molecular system. For this pulse scheme a first pulse is applied which is temporally as short as to excite wave packets in several electronic states. The subsequent second laser pulse is spectrally small, and its temporal length can be chosen unconditionally large. For this pulse scheme there are observables which depend on the CEP of the second pulse but not on the CEP of the first pulse, thus a CEP effect is measurable. Such observables are geometrical asymmetries for decay products of photodissociation reactions. In particular the pulse scheme presented here differs from other two-pulse-schemes where the observables depend on the difference of the CEPs of both pulses but not on the CEP of one of the two pulses alone.

Eigenwertprobleme haben eine große Bedeutung in Naturwissenschaft und Technik. Häufig müssen auftretende Parameter als zufällige Größen modelliert werden, um stochastische Einflüsse oder auftretende Meßfehler in der Problemstellung zu berücksichtigen. Dieser Artikel beschäftigt sich mit den Eigenwerten zufälliger Matrizen. Eine erste grobe Näherung für die Erwartungswerte der Eigenwerte sind die Eigenwerte des gemittelten Problems. Die dabei auftretenden Differenzen können jedoch erheblich sein. Eine bessere Approximation wird mit den hier betrachteten Methoden der Störungsrechnung erreicht. Es werden Ergebnisse der Störungsrechnung für die Eigenwerte zufälliger Matrizen zusammengefaßt und Reihenentwicklungen einschließlich der homogenen Glieder zweiter Ordnung angegeben. An numerischen Beispielen werden die Ergebnisse veranschaulicht und mit Simulationen verglichen. Für praktische Anwendungen sind normalverteilte Störungen von besonderem Interesse. Jedoch ist die Konvergenz der Störungsreihen nur gesichert, wenn die Störungen als hinreichend klein vorausgesetzt werden. Da normalverteilte Zufallsgrößen mit positiver Wahrscheinlichkeit jede beliebig große Schranke überschreiten, ist diese Voraussetzung nicht erfüllt und die Störungsrechnung in diesem Falle nicht ohne weiteres anwendbar. Wird die Entwicklung nach den Störungen dennoch verwendet, können Abschätzungen für den absoluten Fehler bei der Approximation des Erwartungswertes unter Berücksichtigung der Reihenglieder bis zu einer bestimmten Ordnung angegeben werden.

The accurate calculation of atomic spectra, including radiative corrections, is one of the rather challenging tasks in theoretical physics. The entire formalism of quantum (gauge) field theory, augmented by the difficulties of the bound-state formalism, is needed for an accurate understanding of the relevant physics at the level of current high-precision spectroscopy. In this thesis, several calculations in this area are described in detail. Investigations on large-order perturbation-theory effects (and predictive limits of perturbation theory) supplement these investigations. In the context of applications, numerical algorithms for the acceleration of the convergence of series are discussed.

The accurate calculation of atomic spectra, including radiative corrections, is one of the rather challenging tasks in theoretical physics. The entire formalism of quantum (gauge) field theory, augmented by the difficulties of the bound-state formalism, is needed for an accurate understanding of the relevant physics at the level of current high-precision spectroscopy. In this thesis, several calculations in this area are described in detail. Investigations on large-order perturbation-theory effects (and predictive limits of perturbation theory) supplement these investigations. In the context of applications, numerical algorithms for the acceleration of the convergence of series are discussed.

Diese Dissertation befasst sich mit der numerischen Behandlung dissipativer quantenmechanischer Prozesse im Rahmen der reduzierten Dichtematrix-Theorie. Zunächst werden Elektronen-Transferprozesse mit Hilfe einer hierarchischen Methode zur Lösung der Bewegungsgleichung der System-Dichtematrix untersucht. Hier liegt der Fokus auf der Untersuchung des Konvergenzverhaltens der Hierarchie mit der Anzahl der berücksichtigten Ebenen bei unterschiedlichen Abbruchverfahren. Es wird gezeigt, dass die Konvergenz stark von der Abbruchmethode und der Observablen abhängt. Weiterhin wird das lineare Absorptionsspektrum des B850 Pigment-Rings von Rhodispirillum molischianum mit verschiedenen Methoden zur Berücksichtigung der Effekte eines angekoppelten Bades berechnet. Diese Methoden basieren auf störungstheoretischen Ansätzen in der System-Bad-Kopplung. Es gelang unter Verwendung der modifizierten Redfield Theorie (MRT) einen Ausdruck für das Absorptionsspektrum herzuleiten. Bei der MRT werden Teile der System-Bad-Wechselwirkung exakt behandelt. Diese Methode wird in zwei Varianten diskutiert und anderen Methoden gegenübergestellt. Modellrechnungen werden für verschiedene Spektraldichten angefertigt, darunter eine, die aus einer Molekulardynamik(MD)- Simulation stammt. Ebenso wird der Einfluss statischer Unordnung der Pigment-Energien auf die Form des Absorptionsspektrums diskutiert. Dazu werden Spektren sowohl einer einzelnen Realisierung als auch des Ensembles dargestellt. Im Falle der Spektraldichte aus der MD-Simulation werden die Ensemble-Spektren zusätzlich mit experimentellen Daten verglichen. Weiterhin wird eine Rechnung mit der Hierarchie zum Spektrum des B850 Rings und weitere zur Populationsdynamik eines kleineren Systems diskutiert und mit Ergebnissen aus der MRT verglichen. Außerdem wird eine Methode zur stochastischen Propagation von mehrdimensionalen Wellenfunktionen entwickelt. Mit Hilfe von Sprung- Prozessen gelingt es die Freiheitsgrade des Systems zu entkoppeln, sodass mehrere eindimensionale Wellenfunktionen stochastisch propagiert werden können. Die exakte Wellenfunktion kann so als Ensemblemittel von Produkten eindimensionaler stochastischer Wellenfunktionen beschrieben werden.

Eigenwertprobleme haben eine große Bedeutung in Naturwissenschaft und Technik. Häufig müssen auftretende Parameter als zufällige Größen modelliert werden, um stochastische Einflüsse oder auftretende Meßfehler in der Problemstellung zu berücksichtigen. Dieser Artikel beschäftigt sich mit den Eigenwerten zufälliger Matrizen. Eine erste grobe Näherung für die Erwartungswerte der Eigenwerte sind die Eigenwerte des gemittelten Problems. Die dabei auftretenden Differenzen können jedoch erheblich sein. Eine bessere Approximation wird mit den hier betrachteten Methoden der Störungsrechnung erreicht. Es werden Ergebnisse der Störungsrechnung für die Eigenwerte zufälliger Matrizen zusammengefaßt und Reihenentwicklungen einschließlich der homogenen Glieder zweiter Ordnung angegeben. An numerischen Beispielen werden die Ergebnisse veranschaulicht und mit Simulationen verglichen. Für praktische Anwendungen sind normalverteilte Störungen von besonderem Interesse. Jedoch ist die Konvergenz der Störungsreihen nur gesichert, wenn die Störungen als hinreichend klein vorausgesetzt werden. Da normalverteilte Zufallsgrößen mit positiver Wahrscheinlichkeit jede beliebig große Schranke überschreiten, ist diese Voraussetzung nicht erfüllt und die Störungsrechnung in diesem Falle nicht ohne weiteres anwendbar. Wird die Entwicklung nach den Störungen dennoch verwendet, können Abschätzungen für den absoluten Fehler bei der Approximation des Erwartungswertes unter Berücksichtigung der Reihenglieder bis zu einer bestimmten Ordnung angegeben werden.

Diese Dissertation befasst sich mit der numerischen Behandlung dissipativer quantenmechanischer Prozesse im Rahmen der reduzierten Dichtematrix-Theorie. Zunächst werden Elektronen-Transferprozesse mit Hilfe einer hierarchischen Methode zur Lösung der Bewegungsgleichung der System-Dichtematrix untersucht. Hier liegt der Fokus auf der Untersuchung des Konvergenzverhaltens der Hierarchie mit der Anzahl der berücksichtigten Ebenen bei unterschiedlichen Abbruchverfahren. Es wird gezeigt, dass die Konvergenz stark von der Abbruchmethode und der Observablen abhängt. Weiterhin wird das lineare Absorptionsspektrum des B850 Pigment-Rings von Rhodispirillum molischianum mit verschiedenen Methoden zur Berücksichtigung der Effekte eines angekoppelten Bades berechnet. Diese Methoden basieren auf störungstheoretischen Ansätzen in der System-Bad-Kopplung. Es gelang unter Verwendung der modifizierten Redfield Theorie (MRT) einen Ausdruck für das Absorptionsspektrum herzuleiten. Bei der MRT werden Teile der System-Bad-Wechselwirkung exakt behandelt. Diese Methode wird in zwei Varianten diskutiert und anderen Methoden gegenübergestellt. Modellrechnungen werden für verschiedene Spektraldichten angefertigt, darunter eine, die aus einer Molekulardynamik(MD)- Simulation stammt. Ebenso wird der Einfluss statischer Unordnung der Pigment-Energien auf die Form des Absorptionsspektrums diskutiert. Dazu werden Spektren sowohl einer einzelnen Realisierung als auch des Ensembles dargestellt. Im Falle der Spektraldichte aus der MD-Simulation werden die Ensemble-Spektren zusätzlich mit experimentellen Daten verglichen. Weiterhin wird eine Rechnung mit der Hierarchie zum Spektrum des B850 Rings und weitere zur Populationsdynamik eines kleineren Systems diskutiert und mit Ergebnissen aus der MRT verglichen. Außerdem wird eine Methode zur stochastischen Propagation von mehrdimensionalen Wellenfunktionen entwickelt. Mit Hilfe von Sprung- Prozessen gelingt es die Freiheitsgrade des Systems zu entkoppeln, sodass mehrere eindimensionale Wellenfunktionen stochastisch propagiert werden können. Die exakte Wellenfunktion kann so als Ensemblemittel von Produkten eindimensionaler stochastischer Wellenfunktionen beschrieben werden.

Eine zusammenfassende Übersicht über die Formulierung der chiralen Störungstheorie (ChPT) für die Gitter Quantenchromodynamik (QCD) ist gegeben. Wir beginnen mit kurzen Zusammenfassungen der chiralen Störungstheorie für die Kontinuum-QCD sowie Symanziks effektiver Theorie für die Gitter-QCD. Anschließend wird die Formulierung der ChPT für die Gitter-QCD behandelt. Nach einem weiteren Kapitel über partial quenching und Theorien mit gemischten Wirkungen werden konkrete Anwendungen diskutiert: Wilson ChPT, staggered ChPT sowie Wilson ChPT mit einem chiral verdrehten Massenterm. Die folgenden Kapitel behandeln das Epsilonregime mit Wilsonfermionen sowie ausgewählte Resultate für ChPT mit gemischten Wirkungen. Den Abschluß bildet die Formulierung der chiralen Störungstheorie für schwere Vektormesonen mit Wilsonfermionen. / The formulation of chiral perturbation theory (ChPT) for lattice Quantum Chromodynamics (QCD) is reviewed. We start with brief summaries of ChPT for continuum QCD as well as the Symanzik effective theory for lattice QCD. We then review the formulation of ChPT for lattice QCD. After an additional chapter on partial quenching and mixed action theories various concrete applications are discussed: Wilson ChPT, staggered ChPT and Wilson ChPT with a twisted mass term. The remaining chapters deal with the epsilon regime with Wilson fermions and selected results in mixed action ChPT. Finally, the formulation of heavy vector meson ChPT with Wilson fermions is discussed.