Das Ziel der unabhängigen Forschungsgruppe „Gravity, Quantum Fields and Information“ (GQFI), geleitet von Dr. Michal P. Heller, ist es, das faszinierende Zusammenspiel zwischen der Allgemeinen Relativitätstheorie, der Quantenfeldtheorie und der Quanteninformationstheorie zu erforschen, das in den letzten Jahren aufgedeckt wurde, wobei Erkenntnisse aus der Holographie (AdS/CFT), der Vielkörperphysik, den Schwarzen Löchern und mehr genutzt werden.
Einige der motivierenden Fragen für GQFI sind:
- Können wir die dynamische Geometrie der Raumzeit und damit die Gravitation selbst als ein emergentes Quanten-Vielkörperphänomen verstehen, im Sinne von „It from Qubit“? Und welche Rolle spielen in diesem Zusammenhang Quanteninformationskonzepte wie Verschränkung und Komplexität?
- Quantensysteme mit vielen Bestandteilen sind bekanntermaßen sehr komplex und erfordern leistungsstarke Computer, um sie zu simulieren. Können wir neue Ideen aus Tensornetzen nutzen, um effiziente Wege zu finden, diese Systeme auf einem Computer zu modellieren?
- Schwarze Löcher sind die einzigen bekannten Objekte in der Natur, bei denen sowohl die Quantentheorie als auch die allgemeine Relativitätstheorie gleichzeitig relevant sind, und dienen daher als echtes „Theorielabor“ für die Quantengravitation. Können wir die Werkzeuge der Holographie und der algebraischen Quantenfeldtheorie nutzen, um Licht auf diese mysteriösen Objekte zu werfen und vielleicht ihr Inneres zu enthüllen?
- Wie helfen uns neuartige Methoden und Verbindungen bei der Modellierung von Gleichgewichtsprozessen, wie sie bei den ultraenergetischen Kollisionen von Atomkernen an den Beschleunigern RHIC und LHC auftreten?
Hier sind einige der spezifischen Forschungsprojekte, die derzeit von GQFI verfolgt werden:
Komplexität in der Quantenfeldtheorie
Im Zusammenhang mit der Holographie wird vermutet, dass der quanteninformationstheoretische Begriff der „Komplexität“ bestimmte Gravitationsgrößen kodiert (insbesondere solche, die sich auf die Raumzeit im Inneren von Schwarzen Löchern beziehen). Mitglieder unserer Gruppe haben Pionierarbeit geleistet, um diese Idee in Quantenfeldtheorien zu präzisieren, und wir setzen die Untersuchung dieser neuartigen Größe in einer Vielzahl von Modellen fort.
Tensornetzwerke
Tensornetzwerke sind äußerst nützliche Werkzeuge zur Darstellung bestimmter Quantenzustände und haben interessante geometrische Eigenschaften, die zu fruchtbaren Analogien mit der Holographie geführt haben. Insbesondere das MERA-Tensornetz, das von Natur aus geeignet ist, 1D-kritische Systeme (die durch CFTs beschrieben werden) darzustellen, hat eine negativ gekrümmte 2D-Geometrie, und es wurde vermutet, dass es bestimmte Aspekte der AdS/CFT-Korrespondenz beschreibt. Können Erkenntnisse aus der Gravitation und der Holographie nützlich sein, um diese Verbindung zu stärken oder neue, leistungsfähigere Tensornetzwerke für die Simulation komplexer Quantensysteme zu entwerfen, z. B. durch Ausnutzung symmetrischer Aspekte?
Verschränkungsstruktur & modularer Fluss
Wir untersuchen die Eigenschaften modularer (Verschränkungs-)Hamiltonianer für niedrigdimensionale Systeme. Insbesondere haben wir uns auf das Verständnis des Übergangs von Lokalität zu kontinuierlicher Nichtlokalität im modularen Fluss konzentriert. Dies kann neue Einblicke in das Problem der Bulk-Rekonstruktion in der Holographie liefern.
Schwarze-Loch-Innenräume & das Firewall-Paradox
AdS/CFT bietet einen besonders nützlichen Rahmen für die Untersuchung des Firewall-Paradoxons, ein 40 Jahre altes Rätsel, das im Mittelpunkt unserer Versuche steht, Gravitation und Quantentheorie zu vereinen. Wir wenden Erkenntnisse aus der Holographie und der algebraischen Quantenfeldtheorie an, um Licht in die Frage zu bringen, wie man das Innere des Schwarzen Lochs rekonstruieren kann, sowie in die sich anbahnende Beziehung zwischen Verschränkung und Raumzeitgeometrie.
Nichtgleichgewichtsdynamik
Die Quantendynamik außerhalb des Gleichgewichts ist für eine Vielzahl von Problemen von Bedeutung, einschließlich der Physik der hochangeregten primordialen Kernmaterie, die durch die starke Kraft beschrieben wird, die in ultraenergetischen Kollisionen von Atomkernen reproduziert wird. AdS/CFT ermöglicht es uns, diese Kollisionen zu modellieren, und hat zu vielen interessanten phänomenologischen Erkenntnissen in der Kernphysik geführt. Neben holografischen Methoden simulieren wir auch Quanten-Vielkörpersysteme (z. B. Spin-Ketten) mit Tensornetz-Algorithmen in (1+1)D, um Eigenschaften der Dynamik der thermischen Quantenfeldtheorie zu extrahieren. Wir wollen die Äquilibrierung in Modellen von Quark-Gluon-Plasmen verstehen, indem wir Ideen an der Schnittstelle von Tensornetzen und Hochenergiephysik nutzen.
Sonstige Aktivitäten
Die GQFI ist an einer Reihe anderer Aktivitäten beteiligt, die die Zusammenarbeit, die Kommunikation und das allgemeine Interesse an der Physik fördern sollen. Wir veranstalten eine Reihe wöchentlicher virtueller Seminare – ein innovatives Format, das es uns ermöglicht, eine Vielzahl von Vorträgen von Forschern aus der ganzen Welt zu übertragen und gleichzeitig unseren ökologischen Fußabdruck zu verringern. Interessierte Forscher aus anderen Gruppen können sich einschalten und interaktiv teilnehmen (Fragen stellen usw.), und die Vorträge werden anschließend auf unserem YouTube-Kanal veröffentlicht, so dass jeder sie jederzeit frei ansehen kann. Außerdem veranstalten wir zweimal im Jahr einen thematischen „GQFI-Workshop“; Links zu vergangenen Veranstaltungen finden Sie rechts auf der Seite. Darüber hinaus engagieren sich Mitglieder unserer Gruppe bei verschiedenen Outreach-Aktivitäten, z. B. bei lokalen Veranstaltungen zum Tag der Wissenschaft, und in einem Forschungsblog . Um über die neuesten Nachrichten und Entwicklungen auf dem Laufenden zu bleiben, besuchen Sie unseren Twitter-Feed!
Die meisten Veröffentlichungen unserer Gruppe sind auf INSPIRE-HEP zu finden.
H. A. Camargo, M. P. Heller, R. Jefferson, J. Knaute, arXiv:1904.02713
H. A. Camargo, P. Caputa, D. Das, M. P. Heller, R. Jefferson, Phys. Rev. Lett. 122, 081601 (2019), arXiv:1807.07075.
S Singh, NA McMahon, and GK Brennen, Physical Review D 97, 026013 (2018), arXiv:1702.00392.
P. Fries, I. A. Reyes, arXiv:1905.05768.
P. Fries, I. A. Reyes, arXiv:1906.02207
R. Jefferson, arXiv:1901.01149.
R. Jefferson, SciPost Phys. 6, 042 (2019), arXiv:1811.08900.
W. Florkowski, M. P. Heller, M. Spalinski, Rep. Prog. Phys. 81, 4 (2017), arXiv:1707.02282.