Yu, MeiMeiYu2025-10-012025-10-012025https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/7139In dieser Dissertation untersuchen wir nicht-Markovsche Dynamiken in verschiedenen physikalischen Szenarien, die in bosonische und endliche Spin-Bäder kategorisiert sind, und wenden diese Erkenntnisse auf die metrologische Aufgabe der Quantenthermometrie und das grundlegende Problem der Quantenspeicherdetektion an. Zunächst erforschen wir die nicht-Markovsche Dynamik von Few-Level-Riesenatomen, die an akustische Oberflächenwellen (SAWs) gekoppelt sind, wobei der Schwerpunkt auf Zwei-Level- und $\Lambda$-Typ-Drei-Level-Systemen liegt. Mit Single-Phonon-Anregung bei Temperatur Null leiten wir analytische Lösungen ab, die starke Gedächtniseffekte aufgrund von phonon-vermitteltem Selbst-Feedback zeigen. Bei Ausdehnung auf endliche Temperaturen untersuchen wir numerisch die thermischen Effekte auf das nicht-Markovsche Verhalten in Zwei-Level-Atomen. Durch den Vergleich der Ergebnisse bei Temperatur Null mit analytischen Lösungen identifizieren wir den am besten geeigneten numerischen Ansatz zur Simulation der Dynamik bei endlicher Temperatur und zeigen, dass die Nicht-Markovianität bei endlichen Temperaturen bestehen bleiben kann. Als nächstes wenden wir die Lösungen für die nicht-Markovsche Dynamik in Zwei- und Drei-Level-Riesenatomsystemen auf die Quantenspeicherdetektion an. Wir führen ein Kriterium für die Quantenhaftigkeit des Gedächtnisansatzes ein, das auf dem klassischen Gedächtniskonzept basiert und es als konvexes Optimierungsproblem neu formuliert. Zusätzlich schlagen wir eine Metrik vor, um den Unterschied zwischen dem für einen Prozess erforderlichen Quantengedächtnis und seinem klassischen Gegenstück zu quantifizieren. Dieser Rahmen kann auf hochdimensionale Systeme jenseits von Qubits oder Zwei-Level-Atom-Systemen erweitert werden. Mit der vorgeschlagenen Methode zeigen wir, dass das klassische Gedächtnis die spontane Emission in diesen Systemen bei Temperatur Null nicht beschreiben kann. Schließlich skizzieren wir einen experimentellen Ansatz zur Detektion von Quantengedächtnis in Riesenatomen. Im weiteren Verlauf verlagern wir den Fokus auf die nicht-Markovsche reine Dephasierung eines einzelnen oder weniger zentraler Spins, die in ein endliches Spin-Bad eingebettet sind, und führen ein Spin-Gitter-Modell ein, um die reduzierte Systemdynamik effizient zu simulieren. Wir beginnen mit der Untersuchung des Verhaltens eines einzelnen Spins in unkorrelierten und korrelierten Spin-Bädern und untersuchen nicht-Markovsche Dephasierungseffekte. Das Modell wird auch auf zwei Fallstudien angewendet: verschränkte Spins in einem 2D-Gitter, die mit einer sich entwickelnden Umgebung interagieren, und zwei Kernspins in einem organischen Molekül, die mit einem thermischen Spin-Bad bei endlichen Temperaturen für NMR-Anwendungen interagieren. Schließlich verwendeten wir das Spin-Gitter-Modell, um die nicht-Markovsche Phasenthermometrie zu untersuchen, eine nicht-invasive Methode, bei der eine Quantenspinsonde mit einem System, wie einem 2D-Ising-Spin-Gitter, interagiert, um seine Temperatur durch Beobachtung der Dephasierungsdynamik abzuschätzen. Da das betrachtete System einen Phasenübergang durchläuft, bewerteten wir die thermometrische Leistung in der Nähe des Phasenübergangs unter Verwendung der Quanten-Fisher-Information (QFI), um die Präzision zu quantifizieren.In this thesis, we investigate non-Markovian dynamics across various physical scenarios, categorized into bosonic and finite spin baths, and apply these findings to the metrological task of quantum thermometry and the fundamental problem of quantum memory detection. To begin, we explore non-Markovian dynamics of few-level giant atoms coupled to surface acoustic waves (SAWs), focusing on two-level and $\Lambda$-type three-level systems. With single-phonon excitation at zero temperature, we derive analytical solutions showing strong memory effects due to phonon-mediated self-feedback. Extending to finite temperatures, we study numerically thermal effects on non-Markovian behavior in two-level atoms. Comparing zero-temperature results with analytical solutions, we identify the most suitable numerical approach for simulating the dynamics at finite temperatureand show that non-Markovianity can persist at finite temperatures. Next, we apply the solutions for non-Markovian dynamics in two- and three-level giant atom systems to quantum memory detection. We introduce a criterion for the quantumness of memory approach based on the classical memory concept, reformulating it as a convex optimization problem. Additionally, we propose a metric to quantify the difference between the quantum memory required for a process and its classical memory counterpart. This framework can be extended to high-dimensional systems beyond qubits or two-level atom systems. By using the proposed method, we demonstrate that classical memory fails to describe spontaneous emission in these systems at zero temperature. Finally, we outline an experimental approach for detecting quantum memory in giant atoms. Moving forward, we shift the focus on non-Markovian pure dephasing of a single or few central spins embedded in a finite spin bath, introducing a spin-lattice model to efficiently simulate the reduced system dynamics. We begin by investigating a single spin's behavior in uncorrelated and correlated spin baths, examining non-Markovian dephasing effects. The model is also applied to two case studies: entangled spins in a 2D lattice interacting with an evolving environment, and two nuclear spins in an organic molecule interacting with a thermal spin bath at finite temperatures for NMR applications. Lastly, we employed the spin-lattice model to investigate non-Markovian phase thermometry, a non-invasive method in which a quantum spin probe interacts with a system, like a 2D Ising spin lattice, to estimate its temperature by observing the dephasing dynamics. As the system under consideration undergoes a phase transition, we evaluated the thermometric performance in the vicinity of the phase transition, utilizing the quantum Fisher information (QFI) to quantify the precision.enAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/530 PhysikOffene QuantensystemeOpen quantum systemsNicht-MarkovianitätQuantenspeichererkennungQuantenthermometrieNon-markovianityQuantum memory detectionQuantum thermometryDoctoral ThesisStefan Nimmrichterurn:nbn:de:hbz:467-71392