Quantenthermodynamik: Von Resourcentheorien zu offenen Quantensystemen und zurück

• Antragsteller: Dr. Philipp Strasberg
• 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 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397664032

Die Gesetze der Thermodynamik wurden ursprünglich benutzt zur Beschreibung von makroskopischen Maschinen, welche sich in idealisierten Gleichgewichtszuständen befinden. Eines der faszinierendsten und wichtigsten Forschunggebiete befasst sich heutzutage mit der Frage, unter welchen Bedingungen diese Gesetze auch für mikroskopisch kleine "Nanomaschinen" gelten, welche sich fern vom Gleichgewicht befinden und stark fluktuieren. Momentan gibt es zwei Hauptangriffsrichtungen, um diese Frage zu beantworten. Auf der einen Seite, basierend auf Erkenntnissen von offenen Quantensystemen, ist es möglich, die Dynamik solch kleiner Nanosysteme unter der Einwirkung ihrer Umgebung (z.B. ein Wärmebad mit Temperatur T oder ein externer Laser) zu analysieren. Mit Hilfe der statistischen Mechanik lassen sich unter bestimmten Voraussetzungen dann auch die Gesetze der Thermodynamik für solche kleinen Maschinen herleiten. Das Verhalten solcher offenen Quantensysteme ist auch experimentell gut untersucht. Auf der anderen Seite wurden eine Fülle neuer Gesetze entdeckt, in dem man Thermodynamik als eine Theorie zur Beschreibung von Umwandlungen bestimmter "Resourcen" (z.B. Gleichgewichts- in Nichtgleichgewichtszustände oder Arbeit in Wärme) auffasst. Anstatt die mikroskopischen Details des Systems zu spezifizieren, basiert dieser Zugang auf dem Studium bestimmter Transformationen, die fundamentalen physikalischen Prinzipien (z.B. Energieerhaltung) genügen. Dieser auf Erkenntnissen der Quanteninformationstheorie basierende Zugang ist jedoch sehr abstrakt und experimentell schwer umsetzbar. Derzeitig ist nicht bekannt, inwiefern beide Zugänge zusammenhängen und ob die darin versteckten Grundannahmen zueinander equivalent sind oder nicht. Ziel dieses Projektes ist es diese Lücke zu schließen. Hauptsächlich werde ich dazu zwei Fragen untersuchen. Erstens: sind die Annahmen in dem zweiten Zugang, der sogenannten "Resourcentheorie", realistisch und inwieweit lassen sich diese übersetzen in den theoretischen Rahmen offener Quantensysteme? Zweitens und aufbauend auf der ersten Frage wird untersucht, ob die neuen Erkenntnisse in der Resourcentheorie anwendbar sind und neue Einsichten bringen für die Theorie offenener Quantensysteme und möglicherweise zu neuartigen und experimentell realisierbaren Nanomaschinen führen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Spanien
• Gastgeber: Professor Dr. Andreas Winter