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Gravitation, Quantenfelder und -information

Ziel der unabhängigen Forschungsgruppe „Gravitation, Quantenfelder und -information“ (GQFI) unter der Leitung von Dr. Michal P. Heller ist es, das faszinierende Wechselspiel zwischen Allgemeiner Relativitätstheorie, Quantenfeldtheorie und Quanteninformationstheorie, das in den letzten Jahren entdeckt wurde, unter Berücksichtigung von Erkenntnissen aus der Holographie (AdS/CFT), der Vielteilchenphysik, den Schwarzen Löchern und mehr zu erforschen.

Einige der Fragen, die GQFI motivieren, sind:

  • Können wir die dynamische Geometrie der Raumzeit und damit die Gravitation selbst als ein emergentes Quanten-Vielteilchen-Phänomen verstehen, im Sinne von „It from Qubit“? Und welche Rolle spielen in diesem Zusammenhang Quanteninformationskonzepte wie Verschränkung und Komplexität?
  • Quantensysteme mit vielen Bestandteilen sind bekanntlich sehr komplex und erfordern zur Simulation leistungsfähige Computer. Können wir neue Ideen aus Tensornetzen nutzen, um effiziente Methoden, diese Systeme auf einem Computer zu modellieren, zu finden?
  • Schwarze Löcher sind die einzigen bekannten Objekte der Natur, in denen sowohl die Quantentheorie als auch die Allgemeine Relativitätstheorie gleichzeitig relevant sind, und dienen daher als echtes „Labor der Theoretiker*innen“ für die Quantengravitation. Können wir Werkzeuge der Holographie und der algebraischen Quantenfeldtheorie verwenden, um diese mysteriösen Objekte besser zu verstehen und vielleicht ihr Inneres zu enthüllen?
  • Wie helfen uns neuartige Methoden und Verbindungen bei der Modellierung von Äquilibrationsprozessen, wie sie bei hochenergetischen Zusammenstößen von Atomkernen an RHIC- und LHC-Beschleunigern auftreten?

Hier sind einige der spezifischen Forschungsprojekte, die derzeit von GQFI verfolgt werden:

Komplexität in der Quantenfeldtheorie

Im Zusammenhang mit der Holographie wurde vermutet, dass der quanteninformationstheoretische Begriff der „Komplexität“ bestimmte Größen der Gravitation kodiert (insbesondere solche, die sich auf die Raumzeit im Inneren Schwarzer Löcher beziehen). Mitglieder unserer Gruppe haben Pionierarbeit bei den Bemühungen geleistet, diese Idee in Quantenfeldtheorien zu präzisieren, und wir setzen die Untersuchung dieser neuartigen Größe in einer Vielzahl von Modellen fort [1,2].

Tensor-Netzwerke

Tensornetzwerke sind äußerst nützliche Werkzeuge zur Darstellung bestimmter Quantenzustände und weisen interessante geometrische Eigenschaften auf, die zu fruchtbaren Analogien mit der Holographie geführt haben. Insbesondere das MERA-Tensornetzwerk, das sich von Natur aus zur Darstellung eindimensionaler kritischer Systeme (beschrieben durch CFTs) eignet, hat eine zweidimensional negativ gekrümmte Geometrie und man vermutet, dass es bestimmte Aspekte der AdS/CFT-Korrespondenz beschreibt. Können Erkenntnisse aus Gravitation und Holographie nützlich sein, um diese Verbindung zu stärken oder um neue, leistungsfähigere Tensornetzwerke zur Simulation komplexer Quantensysteme zu entwerfen, z.B. unter Ausnutzung symmetrischer Aspekte [3]?

Verschränkungsstruktur und modularer Fluss

Wir untersuchen die Eigenschaften modularer (verschränkter) Hamilton-Funktionen für niedrigdimensionale Systeme [4,5]. Insbesondere haben wir uns auf das Verständnis des Übergangs von Lokalität zu kontinuierlicher Nichtlokalität im modularen Fluss konzentriert. Dies könnte neue Einsichten in das Problem der Rekonstruktion in der Holographie liefern.

Das Innere von Schwarzen Löchern und das Feuerwand-Paradoxon

AdS/CFT bietet einen besonders nützlichen Rahmen für die Untersuchung des Feuerwand-Paradoxons [6], ein 40 Jahre altes Rätsel, das im Mittelpunkt unserer Versuche steht, Gravitations- und Quantentheorie zu vereinen. Wir wenden Einsichten aus der Holographie und der algebraischen Quantenfeldtheorie an, um zu ergründen, wie man das Innere Schwarzer Löcher sowie die entstehende Beziehung zwischen Verschränkung und Raumzeitgeometrie rekonstruieren kann [7].

Dynamik abseits des Gleichgewichts

Quantendynamik abseits des Gleichgewichts ist für eine Vielzahl von Problemen von Bedeutung, einschließlich der Physik hochangeregter, primordialer Kernmaterie, die durch die starke Kraft beschrieben wird und die in hochenergetischen Zusammenstößen von Atomkernen reproduziert wird. AdS/CFT erlaubt uns, diese Kollisionen zu modellieren, und hat zu vielen interessanten phänomenologischen Lehren in der Kernphysik geführt [8]. Über die holographischen Methoden hinaus simulieren wir auch Quanten-Vielkörpersysteme (d.h. Spin-Ketten) mit Tensornetz-Algorithmen in 1+1 Dimensionen, um Eigenschaften der thermischen Quantenfeldtheorie-Dynamik zu extrahieren. Wir wollen die Äquilibrierung in Modellen von Quark-Gluon-Plasmen verstehen, indem wir Ideen an der Schnittstelle von Tensornetzwerken und Hochenergiephysik verwenden.

Andere Aktivitäten

GQFI ist an einer Reihe weiterer Aktivitäten beteiligt, die die Zusammenarbeit, Kommunikation und das allgemeine Interesse an der Physik fördern sollen. Wir veranstalten eine Reihe von wöchentlichen virtuellen Seminaren - ein innovatives Format, das es uns ermöglicht, eine Vielzahl von Vorträgen von Forschern aus der ganzen Welt zu übertragen und gleichzeitig unseren CO2-Fußabdruck zu reduzieren. Interessierte Forscher*innen aus anderen Gruppen können sich zuschalten und interaktiv teilnehmen (Fragen stellen usw.), und die Vorträge werden anschließend auf unserem YouTube-Kanal veröffentlicht, so dass jeder sie jederzeit frei einsehen kann. Außerdem veranstalten wir zweimal jährlich einen aktuellen „GQFI-Workshop“; Links zu vergangenen Veranstaltungen finden Sie auf der rechten Seite. Darüber hinaus engagieren sich Mitglieder unserer Gruppe in verschiedenen Outreach-Aktivitäten, z.B. bei lokalen Veranstaltungen zum Tag der Wissenschaft und in einem Forschungs-Blog . Um über die neuesten Nachrichten und Entwicklungen auf dem Laufenden zu bleiben, schauen Sie sich unseren Twitter-Feed an!

Literaturreferefenzen

Die meisten Veröffentlichungen unserer Gruppe finden Sie auf INSPIRE-HEP.

[1] H. A. Camargo, M. P. Heller, R. Jefferson, J. Knaute, arXiv:1904.02713

[2] H. A. Camargo, P. Caputa, D. Das, M. P. Heller, R. Jefferson, Phys. Rev. Lett. 122, 081601 (2019), arXiv:1807.07075.

[3] S Singh, NA McMahon, and GK Brennen, Physical Review D 97, 026013 (2018),  arXiv:1702.00392.

[4] P. Fries, I. A. Reyes,  arXiv:1905.05768.

[5] P. Fries, I. A. Reyes, arXiv:1906.02207

[6] R. Jefferson, arXiv:1901.01149.

[7] R. Jefferson, SciPost Phys. 6, 042 (2019), arXiv:1811.08900.

[8] W. Florkowski, M. P. Heller, M. Spalinski, Rep. Prog. Phys. 81, 4 (2017), arXiv:1707.02282.

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