Quantenthermodynamik

Die Theorie der Thermodynamik verknüpft unser Wissen über die Welt mit unserem Vermögen, diese zu beeinflussen, und damit, zu kontrollieren. Fragen nach den dafür notwendigen Ressourcen und damit einhergehenden Beschränkungen sind auf diese Weise an zentraler Stelle integriert. Daher nimmt die Thermodynamik eine einmalige Stellung unter den physikalischen Theorien als wahrlich operationelle Beschreibung ein, von komplexen Vielkörpersystemen bis hin zu individuellen Quantenteilchen. Unsere Forschungsgruppe interessiert sich im Allgemeinen für die verschiedenen Möglichkeiten, in einer thermodynamischen Welt Information zu verarbeiten, sowohl von praktischer als auch fundamentaler Perspektive.

Besonders im Bereich der Quantenphysik überwiegen oft die Ressourcenkosten für die Kontrolle dieser fragilen Systeme potentielle Vorteile, die sich aus deren Quanteneigenschaften ergeben würden. In der thermodynamischen Geisteshaltung sind Annahmen über minimale Information und Kontrolle von Beginn an berücksichtigt, und dämmen daher solche Kosten ein, was die Thermodynamik zu einer natürlichen Kandidatin für die Entwicklung praktikabler Informationsverarbeitungsprotokolle macht. Aber wie nahe kann man an ultimative theoretische Grenzen wie etwa die Hauptsätze der Thermodynamik oder die Landauer Grenze [1] tatsächlich herankommen? Wie sollten Ressourcen optimal zugeordnet und verwendet werden um bestimmte komplexe Aufgaben, wie etwa Kühlung bzw. Löschen von Informationen [1,2], speichern und extrahieren von Energie [3,4], oder die Erzeugung von Korrelation [5,6] zu erfüllen?

Von einer fundamentalen Perspektive aus betrachtet bleiben viele thermodynamische Fragen nur unbefriedigend beantwortet. Grob ausgedrückt, sind die meisten dynamischen Phänomene auf der Ebene individueller Teilchen und Trajektorien äußerst komplex, während wir auf makroskopischer Ebene meist relativ simple Beobachtungen machen. Wie genau entsteht oder entwickelt sich nun thermodynamisches Verhalten wie etwa Equilibrierung oder Thermalisierung [7] oder erinnerungslose Prozesse aus der zu Grunde liegenden Komplexität? Was sind die Kosten und ultimativen Limitationen der Kontrolle, die wir über wichtige Prozesse wie vornehmlich perfekte Messungen [8,9] oder präzise Zeitmessung [10,11] haben? Und kann man thermodynamische Argumente heranziehen, um physikalische Gesetze daraus abzuleiten?

Literatur:

  1. Philip Taranto, Faraj Bakhshinezhad, Andreas Bluhm, Ralph Silva, Nicolai Friis, Maximilian P. E. Lock, Giuseppe Vitagliano, Felix C. Binder, Tiago Debarba, Emanuel Schwarzhans, Fabien Clivaz, and Marcus Huber, Landauer vs. Nernst: What is the True Cost of Cooling a Quantum System? arXiv:2106.05151 [quant-ph] (2021).
  2. Philip Taranto, Faraj Bakhshinezhad, Philipp Schüttelkopf, Fabien Clivaz, Marcus Huber, Exponential Improvement for Quantum Cooling through Finite-Memory Effects, Phys. Rev. Appl. 14, 054005 (2020) [arXiv:2004.00323].
  3. Nicolai Friis, Marcus Huber, Precision and Work Fluctuations in Gaussian Battery Charging, Quantum 2, 61 (2018) [arXiv:1708.00749].
  4. Eric G. Brown, Nicolai Friis, and Marcus Huber, Passivity and practical work extraction using Gaussian operations, New J. Phys. 18, 113028 (2016) [arXiv:1608.04977].
  5. Faraj Bakhshinezhad, Fabien Clivaz, Giuseppe Vitagliano, Paul Erker, Ali Rezakhani, Marcus Huber, and Nicolai Friis, Thermodynamically optimal creation of correlations, J. Phys. A Math. Theor. 52, 465303 (2019) [arXiv:1904.07942].
  6. Giuseppe Vitagliano, Claude Klöckl, Marcus Huber, and Nicolai Friis, Trade-off Between Work and Correlations in Quantum Thermodynamics, in: Thermodynamics in the Quantum Regime - Fundamental Aspects and New Directions, Chapter 30, Felix Binder, Luis A. Correa, Christian Gogolin, Janet Anders, and Gerardo Adesso (eds.), Springer International Publishing, 2019; [arXiv:1803.06884].
  7. Fabio Anza, Christian Gogolin, Marcus Huber, Eigenstate Thermalization for Degenerate Observables, Phys. Rev. Lett. 120, 150603 (2018) [arXiv:1708.02881].
  8. Yelena Guryanova, Nicolaii Friis, Marcus Huber, Ideal Projective Measurements Have Infinite Resource Costs, Quantum 4, 222 (2020) [arXiv:1805.11899].
  9. Tiago Debarba, Gonzalo Manzano, Yelena Guryanova, Marcus Huber, and Nicolai Friis, Work estimation and work fluctuations in the presence of non-ideal measurements, New J. Phys. 21, 113002 (2019) [arXiv:1902.08568].
  10. Emanuel Schwarzhans, Maximilian P. E. Lock, Paul Erker, Nicolai Friis, and Marcus Huber, Autonomous Temporal Probability Concentration: Clockworks and the Second Law of Thermodynamics, Phys. Rev. X 11, 011046 (2021) [arXiv:2007.01307].
  11. Anna Pearson, Yelena Guryanova, Paul Erker, Edward Laird, G. A. D. Briggs, Marcus Huber, and Natalia Ares, Measuring the Thermodynamic Cost of Timekeeping, Phys. Rev. X 11, 021029 (2021) [arXiv:2006.08670].