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Operational boundaries between classical and quantum correlations
Samuel Schlegel
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Borivoje Dakic
DOI
10.25365/thesis.80674
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-22927.82887.929327-4
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Charakteristische quantenmechanische Phänomene wie die Verschränkung werden oft als starker Bruch mit der klassischen Physik angesehen. Viele dieser scheinbaren Besonderheiten kommen jedoch nicht durch die zugrunde liegende physikalische Theorie zustande, sondern durch die Art, wie sie mathematisch beschrieben werden. In dieser Arbeit benutzen wir den Wigner–Weyl Formalismus, um sowohl die klassische Physik in der Sprache der Quantenphysik auszudrücken, als auch der Quantenmechanik eine klassische Beschreibung zuzuschreiben. Das erlaubt es uns, Artefakte, die rein aus der gewählten Beschreibung entspringen, von den zugrundeliegenden robusten Unterschieden zu trennen. Nach einer Darstellung der Dualität zwischen Phasenraum– und Hilbertraum–Beschreibung sowie einer Einführung in gaußsche kontinuierliche Variablen Systeme untersuchen wir, wie klassische Korrelationen im Phasenraum bei der Abbildung auf Operatoren scheinbare „Verschränkung“ erzeugen können. Daraus ergibt sich dann eine Hierarchie operativer Grenzen: Die Positivität des zugeordneten Operators trennt physikalisch zulässige Quantenzustände von nicht physikalischen, rein repräsentationsbedingten Artefakten. Innerhalb dieser positiven Zustände markiert die Negativität der Wigner–Funktion eine zweite Grenze zwischen klassisch reproduzierbaren und genuin nichtklassischen Zuständen. In diesem Kontext definieren wir repräsentative Verschränkung (Nichtseparierbarkeit trotz fehlender Positivität), hybride Verschränkung (echte Quantenkorrelationen, die jedoch klassisch imitiert werden können) und genuine Verschränkung jenseits dieses Bereichs. Ein zentrales Ergebnis ist, dass kovarianzbasierte (Verschränkungs–) Zeugen außerhalb des gaußschen Regimes ohne zusätzliche Positivitätsprüfungen irreführend sein können. Abschließend werden wir dieses System auf zeitliche Entwicklung in Protokollen zur „gravitationsvermittelten Verschränkung“ anwenden und dabei klassische und quantenmechanische Dynamik vergleichen. Dabei wird sichtbar gemacht, ab welcher Ordnung der Potenzialentwicklung relevante Unterschiede auftreten, und wie das Auftreten von Negativität in der klassischen Hilbertraum–Evolution als dynamischer Ursprung repräsentativer Verschränkung interpretiert werden kann.
Abstract
(Englisch)
Quantum features such as entanglement are often regarded as a sharp departure from classical physics. However, much of this view is due to the chosen representation, as many features that are regarded as benchmarks of allegedly quantum phenomena arise purely from the formalism, i.e., Hilbert space structures, rather than from the underlying genuinely quantum physical content. In this thesis we utilize the Wigner–Weyl formalism to formulate classical physics in a Hilbert space and quantum mechanics in a phase space language. This allows us to separate artifacts, which arise from the formalism, from the fundamental differences between quantum and classical physics. After reviewing the phase space/Hilbert space correspondence and the Gaussian continuous–variable toolbox, we proceed to analyze how and when classical phase space correlations can mimic quantum nonseparability when mapped to Hilbert space. We then introduce a hierarchy of boundaries to isolate the truly quantum signature. We separate quantum states from nonphysical Weyl–mapped operators by imposing a positivity constraint and further separate genuinely nonclassical resources that no longer admit a classical phase space description via Wigner–function negativity. This framework and the resulting boundaries motivate the notions of representational entanglement (covariance–based entanglement signal, despite operator negativity), hybrid entanglement (valid quantum entanglement within the classical–quantum overlap), and genuine entanglement beyond the overlap. As a consequence, we show that covariance–based witnesses can be misleading outside the Gaussian regime unless supplemented by explicit checks of nonclassicality and positivity. Finally, we apply this approach to gravity–mediated entanglement proposals. We compare classical and quantum dynamics for typical initial states and identify where predictions of the two theories first diverge. The dynamical emergence of classical operator negativity suggests a dynamical route to representational entanglement and further clarifies what gravity–mediated entanglement tests can and cannot exclude.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenmechanik
Schlagwörter
(Englisch)
Quantum Foundations Quantum Formalism Wigner Weyl Gravity Induced Entanglement
Autor*innen
Samuel Schlegel 
Haupttitel (Englisch)
Operational boundaries between classical and quantum correlations
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
viii, 77 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Borivoje Dakic
Klassifikation
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC17818836
Utheses ID
79734
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |