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.

Motoren, Kühlschränke und Kraftwerke gehorchen den Gesetzen von Wärme und Arbeit. Gelten diese Gesetze auch dann noch, wenn eine Maschine so klein wird, dass die Quantenphysik das Geschehen bestimmt? In diesem Projekt haben wir ein Laborsystem aufgebaut, in dem sich diese Frage durch Messung und nicht allein durch Theorie beantworten lässt. Das Ergebnis: Die grundlegenden Gesetze bleiben gültig, doch die mikroskopischen Gründe dafür sind überraschend. Unsere Experimente arbeiten mit einer Wolke aus einigen tausend Rubidiumatomen, die auf ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt und mit Magnetfeldern über einem Mikrochip festgehalten wird. Bei diesen Temperaturen verlieren die Atome ihre Eigenständigkeit und verhalten sich wie eine einzige kollektive Quantenwelle, die sich nur entlang einer Linie bewegen kann. Sie ist klein genug, um vollständig quantenhaft zu sein, und groß genug, um eine Temperatur, einen Energieinhalt und innere Strömungen zu besitzen. Sie dient damit als Arbeitsmedium einer Wärmekraftmaschine aus einem Quantenfeld und lässt sich präzise präparieren, steuern und fotografieren. Zunächst mussten wir verstehen, was in diesem Gas die Energie transportiert. Das Lehrbuchbild von Schallwellen, die durch die Wolke laufen, erwies sich nur als grobe Näherung. Die tatsächlichen Träger verhalten sich wie Teilchen, die sich weigern, denselben Bewegungszustand zu teilen. Das schützt das Gas bis zu weit höheren Temperaturen vor Unordnung als erwartet und zeigte uns, in welchem Bereich sich die Wolke wie ein sauberes Quantenfeld verhält. Danach wandten wir uns der Information zu. Mit einem Verfahren, das aus Bildserien das vollständige Korrelationsmuster der Wolke rekonstruiert, zeigten wir, dass zwei benachbarte Bereiche Information nur über die Grenzfläche zwischen ihnen teilen und nicht über ihr Volumen - eine für Quantenfelder längst vorhergesagte Regel, die so noch nie gemessen wurde. Darauf aufbauend gelang uns der erste quantitative Test des Landauer-Prinzips in einem echten Vielteilchen-Quantensystem. Es besagt, dass das Löschen von Information immer einen Mindestbetrag an Wärme kostet - die letzte physikalische Grenze für die Energieeffizienz jedes Computers. Unsere Messungen bestätigen es genau und zeigen, woher die Kosten stammen: aus der Information, die System und Umgebung teilen und die Anregungspaare über die Grenze tragen. Schließlich haben wir erstmals direkt gemessen, wie ein solches Quantengas Teilchen und Energie leitet, und dabei gefunden, dass es selbst bei endlicher Temperatur reibungsfrei strömt. Um diese winzigen Ströme aus lichtschwachen Bildern zu gewinnen, haben wir neuronale Netze trainiert, die die physikalischen Erhaltungssätze zwingend einhalten müssen. Diese Ergebnisse sind auch für die Quantentechnologie von Bedeutung: Abwärme und Informationsverlust sind die größten Hindernisse für Quantencomputer und Quantensensoren. Die von der Natur gesetzten Grenzen zu kennen und messen zu können hilft, Geräte zu entwerfen, die ihnen nahekommen.