Quanten-Kühlmaschinen, Sensoren und der dritte Hauptsatz

• Antragsteller: Professor Dr. Gershon Kurizki; Professor Dr. Jörg Wrachtrup
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 384846402

Die bemerkenswerte Mächtigkeit der Thermodynamik, deren Grundlagen schon im 19. Jahrhundert gelegt wurden, ergibt sich in hohem Maße aus ihrem Blickwinkel, der von den Details einer gegebenen Situation abstrahiert und so einen Rahmen schafft, der eine Vielzahl von physikalischen Systemen und Situationen erklärt. Ganz neue Fragen ergeben sich allerdings - jenseits traditioneller Thermodynamik - wenn man eine Beschreibung kleiner Systeme sucht, für die stochastische Fluktuationen relevant sind, oder sogar von Maschinen, für die Quanteneffekte erwartungsgemäß eine zentrale Rolle spielen. Die letzten Jahren haben sich an einem enormen Interesse erfreut, das Potential und die Grenzen der sich so ergebenden Quanten-Thermodynamik auszuloten, dem Studium thermodynamischer Transformationen, für die Verschränkung, Quantenfluktuationen, Quanteninformationsaustausch und Kohärenzen nach wichtig sind. Während in der Tat einige wichtige Forschungsergebnisse erzielt wurden über die Schlüsselrolle von Quanteneffekten, etwa über Familien von zweiten Hauptsätzen, die den traditionellen Hauptsatz ersetzen, oder die Rolle von Quantenkorrelationen, die die geleistete Arbeit beim Landauerprinzip negativ machen, sind viele konzeptuelle Fragen nach wie vor weit offen. Vielleicht noch dringlicher fehlen experimentelle Realisierungen, die letzlich das Potential des angedachten Vorteils von Quanteneffekten überzeugend demonstrieren. Diese geplante Forschungsgruppe stellt sich diesen Herausforderungen. Sie bringt führende Forscherpersönlichkeiten in der Quantenthermodynamik in Experiment - an gefangenen Ionen, ultrakalten Atome oder NV- Zentren - und Theorie zusammen, um neue Ansätze auszuloten. Dies ist ein hochgradig herausforderndes Unterfangen. Einerseits sind ganz erhebliche Entwicklungen von experimentellen Plattformen nötig, die echte Quanteneffekte in Arbeit- und Leistungsextraktion tatsächlich ausnutzen können. Andererseits sind konzeptuelle Fragen noch weit offen: Etwa, in welchem genauen Sinne realistische Quantenmaschinen überhaupt mächtiger als klassische Maschinen sein können, eine Frage, zu der Ressourcentheorien beitragen können, wie kleine Systeme überhaupt thermalisieren oder sich in traditionelle Systeme und Bäder einteilen lassen, oder wie Quantenfehlerkorrektur in diesem Rahmen verstehbar ist. Diese Arbeit verspricht nicht nur profunde Einsichten in die Grundlagen des Studiums von thermodynamischen Prozessen, anerkennend, dass die Welt letzlich durch Quantengesetze bestimmt ist. Sie wird aller Voraussicht nach auch technologische Implikationen haben, etwa hinsichtlich neuer Kühltechniken. Diese Forschungsgruppe verspricht also letztlich einen Durchbruch hinsichtlich der Frage, ob Quanten- Thermodynamik das Potential aufweist, Quanten-Wärmemaschinen zu verbessern, und schafft einen Rahmen der Diskussion und des Austausches in der deutschen Forschungslandschaft und darüber hinaus.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2724: Thermische Maschinen in der Quantenwelt
• Internationaler Bezug: Israel