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Physik: Die Quanten-Dampfmaschine

Was passiert, wenn man moderne Erkenntnisse über Quantenobjekte mit den Regeln der klassischen Thermodynamik verbindet? Es entstehen dabei bemerkenswerte Konzepte für die technischen Herausforderungen des Mikrokosmos.
Quantenmechanische Phänomene vereinen sich mit den thermodynamischen Prinzipien klassischer Motoren.

Das Steampunk­-Genre hat in den letzten Jahrzehnten einen festen Platz in der Kunst eingenommen. In der Literatur und in Filmen spielen die Geschichten in von Fabriken verschmutzten Städten, inspiriert vom England der Industrialisierung und dem Wilden Westen – historische Schauplätze, an denen neue Technologien aufblühten und die Gesellschaft veränderten. Steampunk­-Charaktere betreiben futuristische Technologien wie Roboter und Zeitmaschinen mit den Erfindungen des 19. Jahrhunderts. Die Gegenüberstellung von Neu und Alt schafft eine beson­dere Atmosphäre von Romantik und Abenteuer.

So wie der Steampunk Objekte aus der Sciencefiction und der viktorianischen Zeit verbindet, so vereint ein neues Gebiet der Physik die Quantenmechanik mit den wissenschaftlichen Prinzipien des 19. Jahrhunderts. Meine Kol­legen und ich arbeiten im »Quanten­-Steampunk« heute an der Schnittstelle dreier Gebiete: Quantenphysik, Informa­tionstheorie und Thermodynamik.

Dabei wollen wir die Gesetze der Thermodynamik – mit solchen zentralen Begriffen wie Arbeit, Wärme und Wirkungsgrad – modernisieren, damit sie den besonderen Anforderungen jüngster Experimente, Technologien und Theorien gerecht werden …

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  • Quellen

Yunger Halpern, N. et al.: Quantum engine based on many-body localization. Physical Review B 99, 2019

Yunger Halpern, N., Jarzynski, C.: Number of trials required to estimate a free-energy difference, using fluctuation relations. Physical Review E 93, 2016

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