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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 …

Kennen Sie schon …

Spektrum der Wissenschaft – Vielfältige Quanten

Wir tauchen ein in die Welt der Quanten, die uns noch immer zahlreiche Rätsel aufgibt. Forscher entwickeln ständig neue Modelle und hinterfragen Grundlegendes, wie beispielsweise das Konzept der Zeit. Gleichzeitig macht die Entwicklung neuer Quantencomputer große Fortschritte und könnte unsere Verschlüsselungssysteme bedrohen. Experten arbeiten an neuen Methoden, um unsere Daten zu schützen. Erfahren Sie, wie diese Herausforderungen gemeistert werden und ob Kryptografen den Wettlauf gegen die Zeit gewinnen können.

Spektrum - Die Woche – Neue Reben für den Weinbau

Von Klimawandel und Krankheiten bedroht, muss der Weinbau an die neuen Bedingungen angepasst werden. Die Genschere soll den Wein der Zukunft retten. Außerdem beobachtet »Die Woche«, wie Künstlerinnen und Künstler die Welt wahrnehmen und wie sich soziale Unsicherheiten durch Social Media verstärken.

Spektrum der Wissenschaft – Quantencomputer

Supraleitende Schaltkreise, neutrale Atome oder Ionenfallen – es gibt viele verschiedene Ansätze, Qubits zu realisieren. Welche Technologie am Ende im Quantencomputer stecken wird, ist noch offen. Wir geben einen Überblick über die sechs aktuellen Favoriten. Außerdem im Heft: In Island planen Wissenschaftler, im Bereich der Krafla zu einem Reservoir mit flüssigem Gestein vorzudringen. So wollen sie erstmals Magma direkt erforschen – und geothermische Energie erschließen. Wir stellen außerdem die ersten überraschenden Ergebnisse von Gesteinsproben des Asteroiden Bennu vor, die aus zu den Anfängen des Sonnensystems stammen. Die ältesten Höhlenmalereien finden sich auf Indonesien. Fachleute suchen nach den Ursachen, warum diese seit Ihrer Entdeckung plötzlich verfallen.

  • 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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