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Stationary solutions of classical Markov chains and Lindblad equations

Fernengel, Bernd Michael (2023)
Stationary solutions of classical Markov chains and Lindblad equations.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023979
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Master equations play a crucial role in natural science, as they describe the time evolution of a probability distribution in a system. While they are often referred to as being essential, computing a solution is often avoided and people refer to numerical methods or approximation techniques. In this thesis we present an analytical expression of the stationary solution of a master equation for a finite-size system, which is based on the structure of the associated state transition network and the notion of minimal absorbing sets. This formula is also applicable to discrete-time Markov chains.

In the second part of this thesis we compute the stationary solution of the Lindblad equation by using the quantum jump unravelling. After interchanging the time average with the ensemble average, evaluating the time average of a single quantum trajectory is possible using the stationary solutions of classical discrete-time Markov chains and by replacing the classical states with time-averages quantum states. The ensemble average corresponds to the possible long-term behaviors, given by the minimal absorbing sets of a quantum state transition network.

So far our method is restricted to the case that for every quantum trajectory the number of states directly after a quantum jump is finite. At the end of this thesis, we discuss possible generalizations, either to a countable infinite state space or to states that depend on a continuous parameter. Both cases require an analogue expression for stationary solutions of classical master equations on a countable infinite state space.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Fernengel, Bernd Michael
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Stationary solutions of classical Markov chains and Lindblad equations
Sprache: Englisch
Referenten: Drossel, Prof. Dr. Barbara ; Giese, Prof. Dr. Enno
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: vii, 159 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 26 April 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023979
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23979
Kurzbeschreibung (Abstract):

Master equations play a crucial role in natural science, as they describe the time evolution of a probability distribution in a system. While they are often referred to as being essential, computing a solution is often avoided and people refer to numerical methods or approximation techniques. In this thesis we present an analytical expression of the stationary solution of a master equation for a finite-size system, which is based on the structure of the associated state transition network and the notion of minimal absorbing sets. This formula is also applicable to discrete-time Markov chains.

In the second part of this thesis we compute the stationary solution of the Lindblad equation by using the quantum jump unravelling. After interchanging the time average with the ensemble average, evaluating the time average of a single quantum trajectory is possible using the stationary solutions of classical discrete-time Markov chains and by replacing the classical states with time-averages quantum states. The ensemble average corresponds to the possible long-term behaviors, given by the minimal absorbing sets of a quantum state transition network.

So far our method is restricted to the case that for every quantum trajectory the number of states directly after a quantum jump is finite. At the end of this thesis, we discuss possible generalizations, either to a countable infinite state space or to states that depend on a continuous parameter. Both cases require an analogue expression for stationary solutions of classical master equations on a countable infinite state space.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Mastergleichungen spielen eine große Rolle in den Naturwissenschaften, da sie die Zeitentwicklung der Wahrscheinlichkeitsverteilung eines Systems beschreiben. Während sie oft als fundamental zitiert werden, werden für Lösungen entweder numerische Verfahren oder Näherungsmethoden bedient. In dieser Arbeit präsentieren wir einen analytischen Ausdruck einer stationären Lösung der Mastergleichung für endliche Systeme, welche auf der Struktur des Netzwerks besteht, welches die Übergänge des Systems beschreibt. Dabei wurde der Begriff der kleinsten absorbierenden Menge eingeführt. Diese Gleichung ist übertragbar auf Markov Ketten mit diskreter Zeit.

Im zweiten Teil dieser Arbeit berechnen wir sie stationäre Lösung der Lindblad-Gleichung, in dem wir deren Sprungdynamik als einen stückweise deterministischen Prozesses betrachten. Durch Vertauschen von Zeit- und Ensemblemittel ist es möglich, Zeitmittel einer Einzeltrajektorie zu berechnen, indem man die stationären Wahrscheinlichkeiten von klassischen Markovketten verwendet und einen klassischen Zustand durch einen zeitgemittelten quantenmechanischen Zustand ersetzt. Das Ensemblemittel ergibt sich aus den möglichen Langzeitverhalten der Trajektorien, die den kleinsten absorbierenden Mengen des quantenmechanischen Übergangsnetzwerks entsprechen.

Unsere Methode ist limitiert durch die Forderung, dass die Anzahl an quantenmechanischen Zuständen direkt nach einem Sprung für jede Trajektorie endlich ist. Am Ende dieser Arbeit diskutieren wir mögliche Verallgemeinerung zu einem abzählbar unendlichen Zustandsraum oder dem Fall, dass der quantenmechanische Zustand von einem kontinuierlichen Parameter abhängt. In beiden Fällen benötigt man eine entsprechende Verallgemeinerung für stationäre Lösungen von klassische Mastergleichungen auf abzählbar unendlich großen Systemen.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-239797
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Physik Kondensierter Materie (IPKM)
05 Fachbereich Physik > Institut für Physik Kondensierter Materie (IPKM) > Theorie komplexer Systeme
Hinterlegungsdatum: 30 Mai 2023 12:24
Letzte Änderung: 06 Jun 2023 09:07
PPN:
Referenten: Drossel, Prof. Dr. Barbara ; Giese, Prof. Dr. Enno
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 26 April 2023
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