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Stationary solutions of classical Markov chains and Lindblad equations

Fernengel, Bernd Michael (2023)
Stationary solutions of classical Markov chains and Lindblad equations.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023979
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Stationary solutions of classical Markov chains and Lindblad equations
Language: English
Referees: Drossel, Prof. Dr. Barbara ; Giese, Prof. Dr. Enno
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: vii, 159 Seiten
Date of oral examination: 26 April 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023979
Abstract:

Master equations play a crucial role in natural science, as they describe the time evolution of a probability distribution in a system. While they are often referred to as being essential, computing a solution is often avoided and people refer to numerical methods or approximation techniques. In this thesis we present an analytical expression of the stationary solution of a master equation for a finite-size system, which is based on the structure of the associated state transition network and the notion of minimal absorbing sets. This formula is also applicable to discrete-time Markov chains.

In the second part of this thesis we compute the stationary solution of the Lindblad equation by using the quantum jump unravelling. After interchanging the time average with the ensemble average, evaluating the time average of a single quantum trajectory is possible using the stationary solutions of classical discrete-time Markov chains and by replacing the classical states with time-averages quantum states. The ensemble average corresponds to the possible long-term behaviors, given by the minimal absorbing sets of a quantum state transition network.

So far our method is restricted to the case that for every quantum trajectory the number of states directly after a quantum jump is finite. At the end of this thesis, we discuss possible generalizations, either to a countable infinite state space or to states that depend on a continuous parameter. Both cases require an analogue expression for stationary solutions of classical master equations on a countable infinite state space.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Mastergleichungen spielen eine große Rolle in den Naturwissenschaften, da sie die Zeitentwicklung der Wahrscheinlichkeitsverteilung eines Systems beschreiben. Während sie oft als fundamental zitiert werden, werden für Lösungen entweder numerische Verfahren oder Näherungsmethoden bedient. In dieser Arbeit präsentieren wir einen analytischen Ausdruck einer stationären Lösung der Mastergleichung für endliche Systeme, welche auf der Struktur des Netzwerks besteht, welches die Übergänge des Systems beschreibt. Dabei wurde der Begriff der kleinsten absorbierenden Menge eingeführt. Diese Gleichung ist übertragbar auf Markov Ketten mit diskreter Zeit.

Im zweiten Teil dieser Arbeit berechnen wir sie stationäre Lösung der Lindblad-Gleichung, in dem wir deren Sprungdynamik als einen stückweise deterministischen Prozesses betrachten. Durch Vertauschen von Zeit- und Ensemblemittel ist es möglich, Zeitmittel einer Einzeltrajektorie zu berechnen, indem man die stationären Wahrscheinlichkeiten von klassischen Markovketten verwendet und einen klassischen Zustand durch einen zeitgemittelten quantenmechanischen Zustand ersetzt. Das Ensemblemittel ergibt sich aus den möglichen Langzeitverhalten der Trajektorien, die den kleinsten absorbierenden Mengen des quantenmechanischen Übergangsnetzwerks entsprechen.

Unsere Methode ist limitiert durch die Forderung, dass die Anzahl an quantenmechanischen Zuständen direkt nach einem Sprung für jede Trajektorie endlich ist. Am Ende dieser Arbeit diskutieren wir mögliche Verallgemeinerung zu einem abzählbar unendlichen Zustandsraum oder dem Fall, dass der quantenmechanische Zustand von einem kontinuierlichen Parameter abhängt. In beiden Fällen benötigt man eine entsprechende Verallgemeinerung für stationäre Lösungen von klassische Mastergleichungen auf abzählbar unendlich großen Systemen.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-239797
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for Condensed Matter Physics > Theory of complex systems
Date Deposited: 30 May 2023 12:24
Last Modified: 02 Jun 2023 12:36
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23979
PPN: 508200636
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