dc.contributor.author
Boës, Paul
dc.date.accessioned
2021-02-23T07:34:26Z
dc.date.available
2021-02-23T07:34:26Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/29664
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-29408
dc.description.abstract
Quantum thermodynamics is a blossoming research program that uses tools and ideas from quantum information theory to extend the laws of thermodynamics to the domain of systems to which the laws of quantum mechanics apply and the thermodynamic limit does not necessarily apply. The contributions of this program are both foundational, in providing an approach to constructively derive the laws of phenomenological thermodynamics from the postulates of unitary quantum mechanics in a rigorous and bottom-up fashion, but also prac- tical, in providing the theory for an increasing number of experiments that attempt to build thermodynamic machines at scales that were previously inaccessible.
One key mathematical tool used in quantum thermodynamics is the framework of resource theories, specifically the resource theory of thermal operations, in which the thermodynamic interaction of a system with a heat bath and various additional components such as work batteries, clocks or catalysts are modeled. In this cumulative thesis, various extensions and modifications of this framework are studied in order to derive novel results and insights about the possible thermodynamic evolution of quantum systems. In particular, following a system- atic exposition of the resource theory of thermal operations from first principles, I develop answers to the following questions: i) What is the smallest heat bath required to provide the necessary randomness for a system to undergo a given stochastic or thermodynamical evolution? ii) Does this size differ depending on whether the interaction between bath and system is quantum or classical? iii) How can quantum systems thermodynamically evolve in the presence of catalytic bystander systems and how can this be put to use? iv) What are the thermodynamic state transitions that an agent can operationally affect when she only has access to partial information about the underlying states of system and bath? v) How can we understand the emergence of the canonical ensemble in statistical thermodynamics from quantum mechanics?
These questions cover a wide ground, but it will become clear that they can in fact all be discussed using the same formal tools. As such, the answers to the above questions provided in this thesis are both interesting in their own right — showing for example that there exists a gap in how efficiently randomness can be exploited quantumly as compared to classically or that catalytic bystander systems can be used to extract finite amounts of work per particle from macroscopic systems with non-vanishing probability — as well as illustrate the power of quantum thermodynamics as a set of tools to connect quantum mechanics and the theory of thermodynamics more generally.
en
dc.description.abstract
Quantenthermodynamik ist ein relativ junges und wachsendes Forchungsfeld, in dem Methoden und Konzepte aus der Quanteninformationstheorie verwendet werden um die Gesetzmäßigkeiten der Thermodynamik für kleine Quanten-Systeme zu studieren, auf die der thermodynamische Grenzfall nicht notwendigerweise Anwendung findet. Sie trägt hiermit bei sowohl zu den Grundlagen der Thermodynamik, indem sie die Gesetze der phenomenologischen Thermodynamik konstruktiv und “bottom-up” auf der Basis der Postulate der Quan- tenmechanik herleitet, als auch zur Praxis, indem sie die theoretischen Grundlagen für eine immer größere Menge an Experimenten liefert, in denen thermodynamische Maschinen gebaut werden, für deren adequate Beschreibung Quantenmechanik vonnöten ist.
Ein zentrales mathematisches Werkzeug der Quantenthermodynamik sind sogenannte Ressourcentheorien, insbesondere die Ressourcentheorie der thermal operations, in welcher die thermodynamische Wechselwirking eines Systems mit einem Wärmebad und weiteren Systemen wie Batterien, Uhren und Katalysatoren modelliert wird. In dieser kumulativen Dissertation werden verschiedene Erweiterungen und Modifikationen dieses Modells eingeführt, auf deren Basis neue Ergebnisse bezüglich der möglichen thermodynamischen Evolution von Quantensystemen hergeleitet werden. Konkret werden, nach einer systematischen Einfüh- rung in die Ressourcentheorie der thermal operations, Antworten auf die folgenden Fragen entwickelt: i) Wie groß muss ein Wärmebad mindestens sein, damit ein System einen gegebenen stochastischen oder thermodynamischen Prozess durchalufen kann? ii) Hängt die Antwort auf Frage i) davon ab, ob die Interaktion zwischen Bad und System quantisch oder klassisch ist? iii) Welche thermodynamischen Zustandsänderungen eines System sind möglich in der Wechselwirkung mit katalytischen Hilfs-Systemen? iv) Welche Zustandsübergänge können operational erwirkt werden, wenn die zugrundeliegenden Mikrozustände von Bad und Sys- tem nur teilweise bekannt sind? v) Wie können wir den empirischen Erfolg des kanonischen Ensembles als Beschreibung von Systemen im thermodynamischen Gleichgewicht verstehen?
Diese Fragen mögen sehr unterschiedlich erscheinen, aber es wird klar werden, dass sie alle mithilfe der gleichen mathematischen Werkzeuge behandelt werden können. Somit sind die Ergebnisse, die hier präsentiert werden, nicht nur interessant für sich genommen — es wird etwa gezeigt, dass quantische Zufallsprozesse strikt mächtiger sein können als ihre klassichen Gegenstücke existieren, oder dass mithilfe von Katalysatoren extensive Mengen an Arbeit von makroskopischen Systemen im thermischen Gleichgewicht mit nicht-verschwindender Wahrscheinlichkeit extrahiert werden können —, sondern sie illustrieren auch die Breite der Anwendbarkeit der Methoden der Quantenthermodynamik als Bindeglied zwischen Quantenmechanik und Thermodynamik.
de
dc.format.extent
V, 121 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Quantum physics
en
dc.subject
Quantum Information Theory
en
dc.subject
Thermodynamics
en
dc.subject
Statistical Mechanics
en
dc.subject.ddc
500 Natural sciences and mathematics::530 Physics::539 Modern physics
dc.title
Randomness, catalysis and partial knowledge in quantum thermodynamics
dc.contributor.gender
male
dc.contributor.firstReferee
Eisert, Jens
dc.contributor.furtherReferee
von Oppen, Felix
dc.date.accepted
2021-02-15
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-refubium-29664-0
dc.title.translated
Zufall, Katalyse und partielles Wissen in der Quantenthermodynamik
de
refubium.affiliation
Physik
dcterms.accessRights.dnb
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open access
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