Thermische Maschinen in der Quantenwelt

Thermodynamik, deren Grundlagen schon im 19. Jahrhundert gelegt wurden, abstrahiert von den (mikroskopischen) Details und schafft damit einen Rahmen, der eine Vielzahl von physikalischen Systemen und Situationen erklärt. Sie wurde so zur Grundlage vieler Technologien die unsere moderne Gesellschaft erst ermöglicht haben. Die Wärmekraftmaschine wandelt Wärme (ungeordnete Energie) in mechanische Energie (Arbeit) um. Beispiele sind Dampfmaschine, Dampfturbine und alle Verbrennungsmotoren. Eine Kraftwärmemaschine transportiert unter Einsatz mechanischer Energie Wärmeenergie von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres. Beispiele sind eine Wärmepumpe oder eine Kältemaschine (Kühlschrank). Ganz neue Fragen - jenseits traditioneller Thermodynamik - ergeben sich allerdings, wenn man eine Beschreibung kleiner Systeme sucht, für die stochastische Fluktuationen relevant sind, oder sogar von Maschinen, für die Quanteneffekte eine zentrale Rolle spielen. In den letzten Jahren wurde begonnen das Potential und die Grenzen der sich so ergebenden Quanten-Thermodynamik und der sich daraus ergebenden thermodynamischen Transformationen, für Verschränkung, Quantenfluktuationen, Quanteninformationsaustausch und Kohärenzen auszuloten. Trotz einiger wichtiger Forschungsergebnisse sind sogar viele konzeptuelle Fragen noch ungeklärt. Vielleicht noch dringlicher fehlen experimentelle Realisierungen, die letztlich das Potential des angedachten Vorteils von Quanteneffekten überzeugend demonstrieren. Diese geplante Forschergruppe 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. Auf einer Seite sind ganz erhebliche Entwicklungen von experimentellen Plattformen nötig, um echte Quanteneffekte in Arbeit- und Leistungsextraktion tatsächlich nachzuweisen und ausnutzen können. Andererseits sind viele konzeptuelle Fragen noch weit offen: In welchem Sinne können realistische Quantenmaschinen mächtiger als klassische Maschinen sein? Wie thermalisieren kleine (Quanten-) Systeme? Lässt sich die traditionelle Trennung von Systemen und Bäder immer durchführen? Was ist die Rolle von Quantenkorrelationen und Verschränkung? Ist Quantenfehlerkorrektur in diesem Rahmen verstehbar? Die vorgeschlagenen Forschungsarbeiten versprechen nicht nur profunde Einsichten in die Grundlagen von thermodynamischen Prozessen, in einer Welt letztendlich durch Quantenprozesse bestimmt ist, sondern auch technologische Implikationen, etwa hinsichtlich neuer Kühltechniken. Diese Forschergruppe 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.

Thermodynamik abstrahiert von den (mikroskopischen) Details und schafft damit einen Rahmen, der eine Vielzahl von physikalischen Systemen und Situationen erklärt. Sie wurde so zur Grundlage vieler Technologien die unsere moderne Gesellschaft erst ermöglicht haben. In dem Wiener Teilprokjekt der Forschergruppe Thermal machines in the quantum world haben wir uns mit drei dafür zentralen Fragestellung Beschäftigt: (1) Wir haben untersucht wie denn thermische zustände entstehen, und dabei Mechanismen gefunden wie aus stark korrelierten quantenzuständen thermische, 'Gausssche' zustände entstehen (2) Wir haben eine neue Art von Quantenmaschinen entwickelt. Sie beruhen auf der Physik ein-dimensionaler Quantenfelder die mittels externer potentiale manipuliert werden können. Im Experiment können diese Quantenfelder durch eindimensionale bosonische Quantengase quantensimuliert werden. Wir haben dazu detaillierte theoretische Modelle entwickelt, einen Quantenfeld-Kühlschrank entworfen und begonnen die einzelnen Bausteine solcher Quanten-Feld Maschinen im Labor zu bauen und zu untersuchen. (3) Wir haben Methoden entwickelt um ein dimensional Quantengase gezielt zu manipulieren, im speziellen um thermische Maschinen ans 1d Quantenfelden zu bauen.