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Quantum theory at the macroscopic scale
Miguel Gallego Ballester
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*in
Borivoje Dakic
DOI
10.25365/thesis.78724
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-21985.49945.683683-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Quantentheorie ist sowohl mathematisch als auch konzeptionell mit der klassischen Theorie unvereinbar. Obwohl beide Theorien prinzipiell auf jeder Skala angewandt werden können, liefert die Quantenmechanik bei kleinen Skalen und die klassische Mechanik bei großen Skalen präzisere Ergebnisse. Die Frage, wann und wie genau ein solcher Übergang von der Quantenmechanik zur klassischen Mechanik stattfindet, wird auch heute noch diskutiert, obwohl sie schon fast hundert Jahre alt ist, und es gibt mehrere mögliche Ansätze. Ein Ansatz besteht darin, die Quantentheorie zu modifizieren und den Zusammenbruch der Wellenfunktion jenseits einer bestimmten Übergangsskala herbeizuführen. Eine andere Möglichkeit ist zu zeigen, dass klassisches Verhalten im makroskopischen Grenzbereich aus der Quantentheorie hervorgeht. Hier wird auf einen physikalischen Mechanismus zurückgegriffen, der innerhalb der Quantentheorie erklärbar ist, wie etwa den Dekohärenzmechanismus oder den sogenannten coarse-graining-Mechanismus. Schließlich kann auch gezeigt werden, dass Klassizität auf natürliche Weise im nicht trennbaren Hilbert-Raum einer unendlichen Anzahl von Teilchen auftritt. In allen Fällen wird allgemein angenommen, dass das Quantenverhalten im makroskopischen Regime verschwindet. In dieser Arbeit stellen wir diese Annahme infrage. Zu diesem Zweck führen wir einen systematischen Rahmen ein, der sich für die Untersuchung von Quantenkorrelationen in einem operativen makroskopischen Regime eignet. Wir zeigen, dass die vollständige mathematische Struktur der Quantentheorie in diesem Regime erhalten bleiben kann – selbst bei Vorhandensein von Dekohärenz, Teilchenverlusten, Messunsicherheit und coarse-graining. Dies vereinfacht Berechnungen mit makroskopischen Quantenkorrelationen und ermöglicht es uns zu zeigen, dass sie echtes Quantenverhalten aufweisen: einerseits nichtlokalen Realismus, wie durch die explizite Verletzung einer Bell-Ungleichung belegt wird, und andererseits nichtmakroskopischen Realismus, wie durch die explizite Verletzung einer Leggett-Garg-Ungleichung belegt wird. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Spannung zwischen dem mikroskopischen (quantenmechanischen) und dem makroskopischen (klassischen) Bereich nur scheinbar ist und letztlich die Existenz eines Übergangs vom Quanten- zum klassischen Bereich infrage stellt. Vielleicht gibt es echte makroskopische Quantenphänomene, wir müssen nur wissen, wo oder wie wir danach suchen müssen.
Abstract
(Englisch)
Quantum theory is incompatible with classical theory, both mathematically and conceptually. Even though these theories can, in principle, be applied at any scale, experiments show that quantum mechanics works better at small scales, while classical mechanics works better at large scales. The question of when and how exactly such a quantum-to-classical transition occurs, despite being active for almost a hundred years, is still debated today, and there are several possible approaches to it. One is to modify quantum theory, inducing the collapse of the wave-function beyond a certain transition scale. Another is to show that classical behavior emerges from quantum theory in the macroscopic limit by resorting to some physical mechanism explainable within quantum theory, such as the decoherence mechanism or the coarse-graining mechanism. Last, it can also be demonstrated that classicality shows up naturally in the non-separable Hilbert space of an infinite number of particles. One way or the other, the general belief is that quantum behavior disappears in the macroscopic limit. In this thesis, we challenge this view. For this purpose, we introduce a systematic framework suited for the study of quantum correlations in an operational macroscopic limit. We show that the full mathematical structure of quantum theory can be preserved in this limit, even in the presence of decoherence, particle losses, measurement imprecision and coarse-graining. This simplifies calculations with macroscopic quantum correlations, and allows us to show that they exhibit genuine quantum behavior: nonlocal realism on the one hand, as evidenced by the explicit violation of a Bell inequality, and non-macroscopic realism on the other, as evidenced through the explicit violation of a Leggett-Garg inequality. These results suggest that the tension between the microscopic (quantum) and the macroscopic (classical) realms might only be apparent, ultimately challenging the very existence of a quantum-to-classical transition. Perhaps genuine macroscopic quantum phenomena exist, we just need to know where or how to look for them.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenphysik
Schlagwörter
(Englisch)
quantum foundations quantum information Bell nonlocality quantum-to-classical transition coarse-graining macroscopic limit
Autor*innen
Miguel Gallego Ballester 
Haupttitel (Englisch)
Quantum theory at the macroscopic scale
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
118 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Fernando De Melo ,
Philippe Grangier
Klassifikation
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC17586169
Utheses ID
75050
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |