Wärme in der Quantenwelt

Abstract

ZusammenfassungWärme ist eine ungeordnete Form von Energie und die Grundlage der Thermodynamik. Ganz anders verhalten sich ideale quantenmechanische Systeme – hoch geordnet und kohärent. Trotzdem können beide Sichtweisen vereinbart werden, durch die Quantenthermodynamik. Dieser Artikel beschreibt, wie nichtideale Quantenprozesse bei endlicher Temperatur, also mit Dissipation und Dekohärenz, beschrieben werden können. Aus der Perspektive von Quantenschaltkreisen wird gezeigt, wie Dissipation und Wärmeleitung von Elektronensystemen in der Nähe des absoluten Temperatur‐Nullpunkts experimentell beobachtet werden können. Dabei zeigen sich deutliche Abweichungen vom Wiedemann‐Franz‐Gesetz der klassischen Wärmeleitung in Nanostrukturen. In der Quanteninformationsverarbeitung sorgt die Konversion von Information in Wärme nach dem Landauer‐Prinzip bei jeder logischen Operation für ein unteres Limit der Erwärmung in einem Schaltkreis. Mit fortschreitender Miniaturisierung von Quantenbits stellt sich somit die Frage, welches Limit diese fundamentale Wärmeerzeugung jeweils bei den unterschiedlichen Technologien setzen wird.