Funktionalmethoden und Abbildungen dissipativer Quantensysteme

Abstract

Im ersten Abschnitt dieser Arbeit versuchen wir, die algebraische Struktur, welche im Rahmen der dissipativen Quantenmechanik unter Verwendung des Influenzfunktionals auftritt, herauszuarbeiten. Dies erlaubt uns einen tieferen Einblick in ansonsten unübersichtliche und langwierige Rechenschritte, speziell im Realzeitformalismus, und ermöglicht uns eine leichtere Identifikation der dabei auftretenden Terme und deren Ursprung aus dem zugrunde liegenden Modell als auch deren physikalische Bedeutung. Die verwendeten Methoden haben wir soweit als möglich in konsistenter und anschaulicher Form eingeführt, so dass diese Arbeit ohne spezielle Kenntnis des Gebietes der dissipativen Quantenmechanik gelesen werden kann. Besonderen Wert haben wir auf den Übergang von der quantenmechanischen auf die klassische Beschreibung von dissipativen Vorgängen gelegt, da ein Verständnis dieses Übergangs eine tiefere Einsicht in den Messprozess liefert. In der selben Weise ist damit auch der Übergang von der mikroskopischen - durch die Quantenmechanik beschriebenen - Welt in die makroskopische Welt verbunden, welche den Gesetzen der klassischen Mechanik folgt. Zusätzlich zeigen wir, wie die Resultate der Influenzfunktionalmethode stochastisch interpretiert werden können, was einen leichteren Vergleich mit der bekannten quantenmechanischen Zeitentwicklung durch die Schrödingergleichung erlaubt.

Im weiteren betrachten wir die sogenannte Tight-Binding Näherung von Modellen, bei welchen sich der Hamiltonraum für die Systembeschreibung im wesentlichen durch diskrete Eigenzustände des Ortsoperators ausdrücken lässt und Übergänge zwischen diesen Zuständen unterdrückt sind, wodurch eine Propagation entweder durch ein Tunneln oder durch thermische Anregung erfolgt. Im Rahmen der dissipativen Quantenmechanik bringt diese Methode eine immense Vereinfachung in der effektiven Beschreibung des Systems, da Anstelle einer ganzen Historie von Systempfaden nur noch die Übergangszeiten mit den entsprechenden Übergängen berücksichtigt werden müssen. Im Bild des Pfadintegralformalismus bedeutet dies, dass Anstelle des Integrals über alle Systempfade ein Produkt von Integrationen über alle möglichen Sprungzeiten mit Sprunggewichten entsprechend des Übergangs rückt, welches analytisch als auch numerisch wesentlich einfacher handzuhaben ist. Innerhalb dieser Näherung wurden dadurch in der Vergangenheit viele beeindruckende analytische Resultate abgeleitet.

Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit der Abbildung und dem Zusammenhang von dissipativen Modellen mit Feldmodellen aus der Quantenfeldtheorie und im besonderen der Feldtheorie statistischer Systeme. Der Reiz dieser Abbildungen liegt besonders darin, dass in den letztgenannten Gebieten schon seit Jahrzehnten sehr intensiv die grundlegenden Modelle bearbeitet wurden und vor allem auch nach neuen Methoden gesucht und Forschung dafür betrieben wurde und noch immer Gegenstand der aktuellen Forschung darstellt. Als Beispiel sei in zwei Dimensionen die Invarianz unter konformen Abbildungen genannt, welche immer dann Anwendung findet, wenn Systeme nur lokal wechselwirken und eine Invarianz unter lokaler Umskalierung der Felder zeigen. Bei statistischen Systemen mit lokaler Wechselwirkung zeigt sich dieses Verhalten immer beim Erreichen eines kritischen Punktes, da hier per Definition keine Längenskala ausgezeichnet ist. In zwei Dimensionen führt dies zu einer immensen Einschränkung der möglichen Form von Korrelationsfunktionen und hat zu dem eigenständigen Gebiet der Konformen Feldtheorie geführt, da konforme Abbildungen per Definition die lokale Struktur erhalten (Winkeltreue) und lokal nur zu einer Unskalierung führen. Während in D>2 Dimensionen nur endlich viele Generatoren für konforme Abbildungen existieren, ist deren Anzahl in 2 Dimensionen unendlich. Dies resultiert in einer unendlichen Anzahl von lokalen Erhaltungsgrößen mit den entsprechenden Folgen. Während solche Techniken sehr schnell unanschaulich werden, erlaubt die Abbildung auf dissipative Modelle hier oftmals eine sehr anschauliche Interpretation.

In the first part of this work we try to extract the algebraic structure behind the method of the inflence functional in the context of dissipative quantum mechanics. This results in a deeper insight with respect to the long and complex calculations behind that method, especially in the real time case, and also provides us a tool for simple identification of the corresponding terms and their physical meaning. The methods introduced here are presented in a consistent and clear way without the requirement of special knowledge in that field. Special emphasis was put on the transistion from a quantum mechanical description to a classical one, since it allows a deeper understanding of the measurement-process. This is tightly connected with the transistion from a microscopic to a macroscopic world where the former one is described by the rules of quantum mechanics whereas the latter follows the rules of classical mechanics. In addition we show how the results of the influence functional method can be interpreted as a stochastical process, which in turn allows an easy comparison with the well known time development of a quantum mechanical system by use of the Schrödinger equation.

In the following we examine the tight-binding approximation of models of which their hamiltionian shows discrete eigenstates in position space and where transistions between those states are suppressed so that propagation either is described by tunneling or by thermal activation. In the framework of dissipative quantum mechanics this leads to a tremendous simplification of the effective description of the system since instead of looking at the full history of all paths in the path integral description, we only have to look at all possible jump times and the possible corresponding set of weights for the jump direction, which is much easier to handle both analytically and numerically. Within this approximation impressive results were derived in recend years.

In addition we deal with the mapping and the connection of dissipative quantum mechanical models with ones in quantum field theory and in particular models in statistical field theory. The charm of such mappings comes from the fact that the latter mentioned models were subject of strong investigation within the last decades and still is and henceforce provide new methods and ideas to solve them. As an example we only want to mention conformal invariance in two dimensions which always becomes relevant if a statistical system only has local interaction and is invariant under scaling. Statistical models with local interaction show this invariance if they become critical, since then by definition they become invariant under scaling. In two dimensions this invariance greatly reduces the possible form of correlation functions and the full theory is known as conformal field theory, since by definition conformal mappings preserve the local structure and only show a local rescaling. While in D>2 dimensions only a finite number of generators for conformal transformations exist, for two dimensions the number of generators is infinite. This results in an infinite number of locally preserved currents with appropriate implications. While such techniques become soon very complex, the mapping on dissipative models often still gives a physical meaning behind the structure.