The von Neumann Entropy for Mixed States

The Araki-Lieb inequality is commonly used to calculate the entropy of subsystems when they are initially in pure states as this forces the entropy of the two subsystems to be equal after the complete system evolves. Then, it is easy to calculate the entropy of a large subsystem by finding the entropy of the small one. To the best of our knowledge, there does not exist a way of calculating the entropy when one of the subsystems is initially in a mixed state. We show here that it is possible to use the Araki-Lieb inequality in this case and find the von Neumann entropy for the large (infinite) system. We show this in the two-level atom-field interaction.Comment: 10 pages, 4 figure

Decoherence and entanglement of two qubit systems

Die vorliegende Diplomarbeit behandelt die quantenphysikalischen Konzepte Dekohärenz und Verschränkung. Im Hauptteil der Arbeit ein mathematischer Formalismus entworfen, der es erlaubt, so genannte offene Quantensysteme, also Teilsysteme, die in Austausch mit ihrer Umgebung stehen, zu studieren. Ohne genauere Kenntnis der stattfindenden Wechselwirkungen ist es möglich, eine Master-Gleichung aufzustellen, die die vollständige Zeitentwicklung des Systems angibt. Am Beispiel eines Zwei-Qubit-Systems (verschränkte K-Mesonen) werden verschiedene Ansätze skizziert, die auftretenden Dekohärenzprozesse zu beschreiben, die sich vor allem auf unterschiedliche Ansätze, der in die Master-Gleichung eingehenden Lindblad-Operatoren beziehen. Dabei wird neben dem herkömmlichen Ansatz von Projektions-Operatoren ein Ansatz mit Verschiebungs-Operatoren vorgeschlagen. Besondere Aufmerksamkeit wird der - für alle Dekohärenz-Theorien zutreffenden - Eigenschaft der Vollständigen Positivität geschenkt. Im Speziellen wird ein experimentelles Setup skizziert, in dem diese mathematische Eigenschaft am Beispiel von Neutronen (ebenfalls ein Zwei-Qubit-System) überprüft werden könnte. Dabei wird Bezug genommen auf eine von R. A. Bertlmann und W. Grimus vorgeschlagene Ungleichung, die im Falle Vollständiger Positivität erfüllt sein muss, und durch zwei Setups unterschiedlich kombinierter Magnetfelder mit den Dekohärenzparametern verschiedener Richtungen experimentell verifiziert werden kann. So konnte eine experimentelle Situation gefunden werden, in der das gesamte Spektrum für Vollständige Positivität realisiert werden kann - wesentlich allerdings wäre ein Setup, das auch "verbotene" Bereiche zulässt und somit die Vollständige Positivität experimentell testbar macht