Quanteneffekte in der Thermodynamik: Einschränkungen und Potentiale für Anwendungen

• Antragsteller: Dr. Rodrigo Gallego
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 287022405

Thermodynamik ist eine der fundamentalen physikalischen Theorien mit Anwendungen in allen Bereichen der Physik. Trotzdem ist unser Verständnis für thermodynamische Prozesse auf der Nano-Skala, auf der Quanteneffekte wichtig werden, noch beschränkt. In den letzten Jahren ist das Interesse an solchen Prozessen enorm gestiegen. Dieses Interesse wurde zum Einen durch experimentelle Fortschritte geweckt, insbesondere im Bereich der Opto-Mechanik und dem Studium mesoskopischer Systeme, zum Anderen aber auch durch theoretische Entwicklungen, bei denen zunehmend Konzepte aus der Quanten-Informationstheorie, wie etwa das der Verschänktheit, in den Mittelpunkt treten. Dadurch konnten bereits fundamentale Grenzen für thermodynamische Prozesse einzelner Quantensysteme identifiziert werden, ähnlich den Hauptsätzen der phänomenologischen Thermodynamik. Es entsteht also gegenwärtig eine Theorie der Quanten-Thermodynamik.In diesem Forschungsvorhaben werde ich konkrete Fragestellungen untersuchen, welche auftreten, wenn die Vorteile, welche Quantensysteme bieten, mit den Schwierigkeiten in der Manipulation und Quantifizierung von Quantenressourcen zusammentreffen. Konkret werde ich die folgenden Fragen stellen: i) Wie kann die Leistung einer Maschine quantifiziert werden, die mit einzelnen Quantensystemen operiert? ii) Wie können quantenmechanischer Wärmebäder auf eine realistische Art und Weise behandelt werden? iii) Was sind die präzisen Einschränkungen, die auftreten, wenn Quantenthermodynamik mit den Lokalitätseigenschaften wechselwirkender Vielteilchen-Systeme konfrontiert wird?Die Beantwortung dieser Fragen ist notwendig, um die theoretischen Erkenntnisse mit konkreten Quantentechnologien und Experimenten in Kontakt bringen zu können, aber auch eng mit grundlegenden Fragen der Quantentheorie verbunden. Die Quantifizierung von Operationen unter operationellen Einschränkungen, wie sie auch in der Quantenthermodynamik auftauchen, hängt eng mit sogenannten Quanten-Ressourcentheorien zusammen. Insbesondere sind Einschränkungen von Lokalitätseigenschaften grundlegend mit Verschränktheit und Begriffen der Quanten-Informationsverarbeitung verbunden. Daher überbrücken diese Fragen nicht nur die bisherige Lücke zwischen Theorie und Experimenten, sondern schaffen auch Verbindungen zu anderen Feldern der Quantenphysik.In dem Forschungsprojekt werde ich Methoden der Quanten-Informationstheorie und Vielteilchen-Theorie zusammenbringen, in welchen ich bereits ausgewiesene Expertise entwickelt habe. Insbesondere habe ich zur Entwicklung der Ressourcen-Theorien von Verschränktheit und Nicht-Lokalität und zum Gebiet der thermischen Maschinen und der Quantifizierung von Arbeit und Wärme auf der Nano-Skala beigetragen. Dadurch bin ich in der Lage, konkrete und wichtige offene Probleme zu formulieren, welche ich sofort in Angriff nehmen kann, zusammen mit meinen Mitarbeitern an der Freien Universität Berlin.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen