Thermodynamik von Messungen und isolierten Quantensystemen

Die Quantenmechanik wurde vor über einem Jahrhundert erfunden, um seltsame experimentelle Ergebnisse zu erklären, die bei der Untersuchung winziger Teilchen beobachtet wurden. Heute wissen wir, dass die Quantentheorie das Fundament unserer Realität bildet und erklärt, wie sich die Elementarteilchen, aus denen wir bestehen, bewegen und interagieren. Sie stellt außerdem die Grundlage für moderne Wunderwerke wie Computerchips dar. Aber die Theorie selbst ist höchst unintuitiv und sagt bizarre Dinge voraus, wie z.B. Teilchen, die an zwei Orten gleichzeitig existieren. In der alltäglichen Welt kann das natürlich nicht passieren, aber Experimente zeigen, dass sich die Teilchen, aus denen wir bestehen, auf den kleinsten Skalen tatsächlich so verhalten. Je größer die Systeme werden, desto mehr verlieren sie ihre Quantenhaftigkeit, bis sie sich schließlich, wenn sie für uns mit dem Mikroskop sichtbar sind, normal oder klassisch verhalten. Klar ist auch, dass wir, wenn wir direkt auf ein Teilchen schauen, diesen An-zwei-Orten-gleichzeitig-Effekt nie sehen. Das heißt, der Akt der Messung ist auch daran beteiligt, die Quantenwelt verschwinden zu lassen. Wie genau Quantensysteme zu Klassischen werden, ist bis heute ein Rätsel. In diesem Projekt wird Dr. Tom Rivlin von der TU Wien das Problem aus der modernen Perspektive der Quantenthermodynamik untersuchen. Dieser Forschungsbereich innerhalb der Quantentheorie ist noch recht neu und wächst rapide. Er beschäftigt sich damit, die Quantenwelt mit bekannten thermodynamischen Konzepten wie Energie, Wärme, Arbeit, Entropie und Temperatur zu verbinden. Das Projekt baut insbesondere auf neueren Konzepten auf, die Quantenmessungen als thermodynamische Prozesse beschreiben, wie etwa das Vermischen von Milch und Kaffee in einem kleinen Braunen. So wie Kaffee und Milch ein Gleichgewicht erreichen, in dem sie sich vollständig vermischen, so sollen auch Quantensysteme während einer Messung ein Gleichgewicht mit ihrer Umgebung erreichen, wobei Informationen zwischen System und Umgebung ausgetauscht werden. Dieses Konzept der Messung als Gleichgewicht stützt sich auf die thermodynamische Größe Entropie, die den Grad der Unordnung in einem System misst. In unserer Alltagswelt nimmt die Entropie ständig zu, und wir erwarten, dass dies auch für diesen Messprozess gilt. Daher werden in diesem Projekt verschiedene Aspekte der Entropie in der Quantenwelt untersucht, wobei verschiedene Methoden eingesetzt werden, um zu erforschen, wie Quanten- und klassische Versionen der Entropie miteinander in Verbindung stehen. Im weiteren Sinne wird das Projekt mathematische Berechnungen, Computersimulationen und konzeptionelle Argumente nutzen, um die Thermodynamik von Quantenmessungen zu untersuchen. Ziel ist es tiefgreifende, seit langem bestehende konzeptionelle Fragen und Paradoxe im Zusammenhang mit dem Übergang von der Quanten- zur klassischen Welt besser zu verstehen und die Quantenwelt unserer eigenen ein wenig näher zu bringen.