Die Bedeutung von Quanteninformation in der Thermodynamik

Quanteninformationstheorie ist ein äußerst aktives und interdisziplinäres Forschungsfeld, dessen Resultate einen wichtigen Einfluss in Bereichen der Informatik, der reinen Mathematik bis hin zu der Physik der kondensierten Materie haben. Mein Projekt ist im Herzen der Quanteninformation angesiedelt, mit tiefengreifenden Verbindungen zur statistischen Physik und Thermodynamik, und dem endgültigen Ziel das grundlegende Verständnis von Quantenphysik durch eine Analyse von den herausragenden Quanten-Eigenschaften komplexer Quantensysteme und der Charakterisierung von Quanten-Ressourcen zu erweitern. Das Projekt teilt sich in drei Arbeitspakete, jedes mit einem unterschiedlichen Maß an Risiko und Bedeutung. Das erste Paket ist das Fundament des Projekts, in dem die mathematischen Werkzeuge für die Charakterisierung von Quanten-Ressourcen, wie etwa Verschränkung, entwickelt und verbessert werden sollen. Im zweiten Paket sollen dann noch weitere Kandidaten für genuine Quanten-Ressourcen identifiziert werden und deren mathematische Charakterisierung soll auf spezifische Probleme angepasst werden, sodass sie besser geeignet sind manche der herausforderndsten Fragen in der Quantenthermodynamik heutzutage beantworten zu können. Dies ist dann schlussendlich das Ziel des dritten Arbeitspakets, wo eine der zentralen Fragen: Welche Rolle spielen Quanteneffekte in der Quantenthermodynamik? beantwortet werden soll. Die Antworten auf diese Frage sollen die Basis für ein besseres Verständnis wie Quanten-Maschinen oder -Prozesse solche Quanten-Ressourcen ausnützen können mit einer Leistung jenseits des klassisch möglichen bilden und ebenso ein tiefgründiges Verständnis der statistischen Physik im Bereich der Quantenmechanik ermöglichen. Diese Aufteilung bietet sowohl realistische kurzfristige Ziele mit garantierter akademischer Bedeutung und Einfluss sowie anpassbare Hochrisiko Forschungsstränge von großer Bedeutung, die auf meine bisherige Forschungserfahrung und meine Fähigkeiten zugeschnitten sind.

In dem START Projekt: die Rolle der Quanteninformation in der Thermodynamik wurden zahlreiche Facetten der Korrespondenz zwischen Information und Physik erforscht. Neben Fortschritten auf den Gebieten der Verschränkungscharacterisierung, Quantenkommunikation mit Einzelphotonen, mathematischen Methoden lag der Fokus auf thermodynamischen Themen. Die wichtigsten Einsichten lassen sich wie folgt Zusammenfassen: a) Der Zeitpfeil, der uns eine unterscheidung zwischen Vergangenheit und Zukunft erlaubt ist bestimmt durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (der Zunahme der Entropie im Universum). Aber auch Uhren sind thermodynamische Maschinen, sowohl klassisch als auch auf Quantenebene. Und die Qualität von Uhren ist begrenzt durch die quantitative Zunahme der Entropie. b) Messung und Korrelation zwischen Systemen sind nichtgleichgewichtsprozesse, die ebenso thermodynamischen Grenzen unterliegen. Perfektes Wissen ist fundamental unmöglich (aber beliebig annäherbar) und Messung von Quantensystemen braucht eine Menge an thermodynamischer Arbeit die typischerweise jenseits der quantenmechanischen Energieskalen liegt