Universität zu Köln

The Impact of Decoherence and Dissipation on Cosmological Systems and on the Generation of Entanglement

Queißer, Friedemann (2010) The Impact of Decoherence and Dissipation on Cosmological Systems and on the Generation of Entanglement. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    The physics of open quantum systems, and therefore the phenomenon of decoherence, has become important in many branches of research. Within this thesis, we investigate the system--environment interaction in the context of different problems. The influence of decoherence is ubiquitous and, due to the scale independence of quantum theory, not limited to microscopic systems. One of the great open problems in theoretical physics is the appearance of a cosmological constant which differs by many orders of magnitude from the theoretical predicted value. In the first part of this thesis we will address this question within the framework of quantum mechanics. The considerations are based on a quantum mechanical model which explains the value of the cosmological constant without introducing extremely small numbers. Decoherence, based on the uncontrollable entanglement with the environment, can explain the localization of the vacuum energy to the classical observed value. The model mentioned above allows, in principle, the tunneling into a universe with a different vacuum energy. We investigate the modification of the tunneling rate due to dissipative effects which follow from the system--bath interaction. Closely related to the cosmological constant problem and subject of the second part of this thesis is the spontaneous decay of a quantum field vacuum. Using a semiclassical approximation it is possible to investigate this process within the framework of the path integral formalism. We discuss the quantum--to--classical transition of the spontaneously nucleated vacuum bubbles. Furthermore, we investigate the dependence of the decay rate on the space-time backgrounds. The third part of this thesis is dedicated to the interaction between quantum systems and their environment in a different context. We investigate the generation of entanglement between two systems which are interacting indirectly with each other through the coupling to a heat bath. The interaction--induced entanglement will be destroyed rapidly through decoherence and dissipation. We will show that it is possible to generate a significant amount of entanglement by imposing certain boundary conditions to the bath. Furthermore, the dependence of the entanglement generation on the spatial separation of the systems will be analyzed. Specifically we will examine the bathinduced entanglement of oscillators and spins.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die Physik offener Quantensysteme, und somit das Phänomen der Dekohärenz, hat eine bedeutende Rolle in vielen Bereichen der Forschung eingenommen. In der vorliegenden Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen Systemen und ihrer Umgebung im Zusammenhang mit verschiedenen Fragestellungen untersucht. Der Einfluss von Dekohärenz ist allgegenwärtig und, aufgrund der Skalenunabhängigkeit der Quantenmechanik, nicht auf mikroskopische Systeme beschränkt. Eines der großen Probleme innerhalb der theoretischen Physik ist das Auftreten einer kosmologischen Konstante beziehungsweise einer Vakuumenergie des Universums, die um viele Größenordnungen von dem vorhergesagten Wert abweicht. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wollen wir uns dieser Fragestellung im Rahmen der Quantenmechanik zuwenden. Die Grundlage der Betrachtungen ist ein quantenmechanisches Modell, welches das Auftreten einer Vakuumenergie ohne Zuhilfenahme von unnatürlich kleinen Zahlen erklärt. Dekohärenz, basierend auf unkontrollierter Verschränkung mit der Umgebung, kann die Lokalisierung der Vakuumenergie auf den klassisch beobachteten Wert erklären. Das oben erwähnte quantenmechanische Modell erlaubt prinzipiell auch einen Tunnelprozess in ein Universum mit einer anderen Vakuumenergie. Wir untersuchen in diesem Kontext die Änderung der Tunnelwahrscheinlichkeit durch dissipative Effekte als Folge der Wechselwirkung zwischen System und Umgebung. Eng verwandt mit dem Problem der kosmologischen Konstante ist der spontane Zerfall des Vakuums eines Quantenfeldes, welches Thema des zweiten Teils dieser Arbeit ist. Dieser Prozess wird oft innerhalb einer semiklassischen Näherung im Rahmen des Pfadintegralformalismus beschrieben. Anhand des Vakuumzerfalls wird mithilfe der Dekohärenz die Lokalisierung von entstehenden ``Vakuumblasen'' diskutiert. Weiterhin wird die Abhängigkeit der Zerfallsrate von verschiedenen Raumzeit--Hintergründen des Quantenfeldes beleuchtet. Der dritte Teil dieser Arbeit widmet sich dem Einfluss der Wechselwirkung zwischen Quantensystemen und ihrer Umgebung in einem anderen Kontext. Untersucht wird hier die Erzeugung von Verschränkung zweier Systeme, die nicht direkt miteinander gekoppelt sind, aber indirekt über ein thermisches Bad wechselwirken. Die Verschränkung, welche die indirekte Wechselwirkung induziert, wird jedoch durch Dissipation und Dekohärenz schnell wieder zerstört. Es wird jedoch gezeigt, dass signifikant viel Verschränkung erzeugt werden kann, wenn das Bad gewissen Randbedingungen unterworfen wird. Insbesondere wird analysiert, wie sich der räumliche Abstand der Systeme auf die Erzeugung von Verschränkung auswirkt. Konkret wird die badinduzierte Verschränkung von Harmonischen Oszillatoren und Spins untersucht.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Queißer, Friedemannfriedemann.queisser@gmx.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-32835
    Subjects: Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Kosmologie , Dekohärenz , VerschränkungGerman
    Cosmology , Decoherence , EntanglementEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Theoretische Physik
    Language: English
    Date: 2010
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 22 November 2010
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 08 Feb 2011 10:51:18
    Referee
    NameAcademic Title
    Kiefer, ClausProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/3283

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