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Random Unitary Operations and Quantum Darwinism

Balaneskovic, Nenad :
Random Unitary Operations and Quantum Darwinism.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5148]
Technische Universität Darmstadt , Darmstadt
[Dissertation], (2016)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5148

Kurzbeschreibung (Abstract)

We study the behavior of Quantum Darwinism (Zurek, Nature Physics 5, 181 - 188 (2009)) within the iterative, random unitary operations qubit-model of pure decoherence (Novotn´y et al, New Jour. Phys. 13, 053052 (2011)). We conclude that Quantum Darwinism, which describes the quantum mechanical evolution of an open system from the point of view of its environment, is not a generic phenomenon, but depends on the specific form of initial states and on the type of system-environment interactions.

Furthermore, we show that within the random unitary model the concept of Quantum Darwinism enables one to explicitly construct and specify artificial initial states of environment that allow to store information about an open system of interest and its pointer-basis with maximal efficiency. Furthermore, we investigate the behavior of Quantum Darwinism after introducing dissipation into the iterative random unitary qubit model with pure decoherence in accord with V. Scarani et al (Phys. Rev. Lett. 88, 097905 (2002)) and reconstruct the corresponding dissipative attractor space. We conclude that in Zurek’s qubit model Quantum Darwinism depends on the order in which pure decoherence and dissipation act upon an initial state of the entire system. We show explicitly that introducing dissipation into the random unitary evolution model in general suppresses Quantum Darwinism (regardless of the order in which decoherence and dissipation are applied) for all positive non-zero values of the dissipation strength parameter, even for those initial state configurations which, in Zurek’s qubit model and in the random unitary model with pure decoherence, would lead to Quantum Darwinism.

Finally, we discuss what happens with Quantum Darwinism after introducing into the iterative random unitary qubit model with pure decoherence (asymmetric) dissipation and dephasing, again in accord with V. Scarani et al (Phys. Rev. Lett. 88, 097905 (2002)), and reconstruct the corresponding dissipative-dephasing attractor space. We conclude that dephasing does not influence the dynamics of quantum systems in Zurek’s qubit model of Quantum Darwinism. Similarly, we see that also within the random unitary evolution dephasing does not alter or influence the (dis-)appearance of Quantum Darwinism: i.e. the random unitary evolution of a quantum state governed by the quantum operation enclosing pure decoherence, dissipation and dephasing is in the asymptotic limit of many iterations significantly determined by the interplay between pure decoherence and dissipation, whereas the dephasing part of the random unitary evolution does not contribute to the corresponding asymptotic attractor space of the random unitary iteration.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2016
Autor(en): Balaneskovic, Nenad
Titel: Random Unitary Operations and Quantum Darwinism
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

We study the behavior of Quantum Darwinism (Zurek, Nature Physics 5, 181 - 188 (2009)) within the iterative, random unitary operations qubit-model of pure decoherence (Novotn´y et al, New Jour. Phys. 13, 053052 (2011)). We conclude that Quantum Darwinism, which describes the quantum mechanical evolution of an open system from the point of view of its environment, is not a generic phenomenon, but depends on the specific form of initial states and on the type of system-environment interactions.

Furthermore, we show that within the random unitary model the concept of Quantum Darwinism enables one to explicitly construct and specify artificial initial states of environment that allow to store information about an open system of interest and its pointer-basis with maximal efficiency. Furthermore, we investigate the behavior of Quantum Darwinism after introducing dissipation into the iterative random unitary qubit model with pure decoherence in accord with V. Scarani et al (Phys. Rev. Lett. 88, 097905 (2002)) and reconstruct the corresponding dissipative attractor space. We conclude that in Zurek’s qubit model Quantum Darwinism depends on the order in which pure decoherence and dissipation act upon an initial state of the entire system. We show explicitly that introducing dissipation into the random unitary evolution model in general suppresses Quantum Darwinism (regardless of the order in which decoherence and dissipation are applied) for all positive non-zero values of the dissipation strength parameter, even for those initial state configurations which, in Zurek’s qubit model and in the random unitary model with pure decoherence, would lead to Quantum Darwinism.

Finally, we discuss what happens with Quantum Darwinism after introducing into the iterative random unitary qubit model with pure decoherence (asymmetric) dissipation and dephasing, again in accord with V. Scarani et al (Phys. Rev. Lett. 88, 097905 (2002)), and reconstruct the corresponding dissipative-dephasing attractor space. We conclude that dephasing does not influence the dynamics of quantum systems in Zurek’s qubit model of Quantum Darwinism. Similarly, we see that also within the random unitary evolution dephasing does not alter or influence the (dis-)appearance of Quantum Darwinism: i.e. the random unitary evolution of a quantum state governed by the quantum operation enclosing pure decoherence, dissipation and dephasing is in the asymptotic limit of many iterations significantly determined by the interplay between pure decoherence and dissipation, whereas the dephasing part of the random unitary evolution does not contribute to the corresponding asymptotic attractor space of the random unitary iteration.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Physik
Fachbereich Physik > Angewandte Physik
Hinterlegungsdatum: 28 Feb 2016 20:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5148
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-51480
Gutachter / Prüfer: Alber, Dr.rer.nat Gernot ; Walser, Dr.rer.nat Reinhold
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 1 Februar 2016
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Wir untersuchen das Verhalten von Quanten Darwinismus (Zurek, Nature Physics 5, 181 - 188 (2009)) im Rahmen des iterativen Qubit-Modells der reinen Dekohärenz basierend auf zufälligen unitären Operationen (Novotn´y et al, New Jour. Phys. 13, 053052 (2011)). Wir schlussfolgern, dass Quanten Darwinismus, der die quantenmechanische Evolution des offenen Systems aus der Perspektive seiner Umgebung beschreibt, kein generisches Phänomen ist, sondern von der spezifischen Form der Anfangszustände sowie der Wechselwirkungen zwischen System und Umgebung abhängt. Des Weiteren wird gezeigt, dass es innerhalb des zufälligen unitären Modells das Konzept des Quanten Darwinismus’ erlaubt, explizit jene künstlichen Anfangszustände der Umgebung zu konstruieren, die Information über das beobachtete offene System und seine Zeiger-Zustandsbasis mit maximaler Effizienz speichern können. Des Weiteren wird auch das Verhalten des Quanten Darwinismus’ nach der Einführung der Dissipation in das zufällige, unitäre Qubit-Modell mit reiner Dekohärenz (gemäß V. Scarani et al, Phys. Rev. Lett. 88, 097905 (2002)) studiert und der entsprechende dissipative Attraktorraum rekonstruiert. Wir schlussfolgern, dass im Zureks Qubit-Modell Quanten Darwinismus von der Reihenfolge abhängt, in der reine Dekohärenz und Dissipation auf den Anfangszustand des Gesamtsystems wirken. Wir zeigen explizit, dass das Einführen von Dissipation in das zufällige, unitäre Modell im Allgemeinen, und zwar für alle positiven Werte des Dissipationsstärkeparameters, den Quanten Darwinismus unterdrückt (ungeachtet der Reihenfolge, in der Dissipation und reine Dekohärenz wirken), sogar im Bezug auf jene Anfangszustände, die im Rahmen des Zurekschen sowie des zufälligen, unitären Modells mit reiner Dekohärenz das Auftreten des Quanten Darwinismus’ erlauben würden. Schlussendlich diskutieren wir, was mit dem Quanten Darwinismus passiert, nachdem man in das zufällige, unitäre Modell mit reiner Dekohärenz (asymmetrische) Dissipation und Dephasierung (wieder gemäß V. Scarani et al, Phys. Rev. Lett. 88, 097905 (2002)) einführt, und rekonstruieren den entsprechenden dissipativ-dephasierten Attraktorraum. Wir schlussfolgern, dass Dephasierung die Dynamik von Quantensystemen in Zureks Modell des Quanten Darwinismus’ nicht beeinflusst. Gleichermaßen sehen wir, dass auch im Rahmen der zufälligen, unitären Evolution die Dephasierung keinen Einfluss auf das Auftreten oder Verschwinden des Quanten Darwinismus’ hat: mit anderen Worten, die zufällige, unitäre Entwicklung eines Quantenzustandes, bestimmt durch die reine Dekohärenz, Dissipation und Dephasierung einschließende Quantenoperation, hängt im asymptotischen Limes vieler Iterationen nur vom Zwischenspiel zwischen reiner Dekohärenz und Dissipation ab, wogegen der Dephasierung erzeugende Teil der zufälligen, unitären Evolution zum entsprechenden asymptotischen Attraktorraum nicht beiträgt.Deutsch
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