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From resource to constraint
thermodynamic implications of control in timekeeping, cooling and measurement
Emanuel Schwarzhans
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)
Betreuer*in
Marcus Huber
DOI
10.25365/thesis.73505
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13211.60668.367269-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Im Laufe des letzten Jahrhunderts wurden bedeutende Fortschritte in der Kontrolle quantenmechanischer Systeme gemacht. Obwohl das Konzept der Kontrolle in der Literatur häufig erwähnt wird, bleibt seine Definition als Ressource vage und unklar. Diese Dissertation ist eine Sammlung wissenschaftlicher Beiträge, die ich während meiner Doktorarbeit gemacht habe und welche sich auf die Untersuchung der Rolle der Kontrolle bei der Erreichbarkeit verschiedener Aufgaben in der Physik konzentrieren und somit einen Schritt in Richtung einer präziseren Definition des Konzepts der Kontrolle unternehmen. Um ein umfassendes Verständnis der Kontrolle zu erlangen, analysieren wir eine Vielzahl von Aufgaben und Settings durch eine thermodynamische Brille, was zur Unterscheidung zweier grundlegender Konzepte, der temporalen Kontrolle und der strukturellen Kontrolle führt. In Kapitel II etablieren wir eine Verbindung zwischen diesen beiden Konzepten, indem wir die Einschränkungen von Uhren unter Berücksichtigung struktureller Kontrolle untersuchen. Durch die Identifizierung des Prozesses der temporalen Wahrscheinlichkeitskonzentration, als ein grundlegendes Merkmal jeder “tickenden Uhr” sind wir in der Lage, die Bedingungen zu identifizieren, die für präzises Zeitmessen und somit für ein hohes Maß an temporaler Kontrolle notwendig sind. Darüber hinaus ermöglicht uns dies, fundamentale Einschränkungen für die Aufgabe der Zeitmessung unabhängig von der Menge an Kontrolle, die ausgeübt werden kann, zu identifizieren. Kapitel III konzentriert sich auf die paradigmatische Aufgabe der Grundzustandskühlung und geht auf die Details und Komplexitäten ein, die mit dem Streben nach Nulltemperaturzuständen verbunden sind. Eine detaillierte Analyse ermöglicht es uns, die Kontrollkomplexität als eine Ressource zu identifizieren, deren Divergenz entscheidend für die Erreichbarkeit einer Grundzustandskühlung in endlicher Zeit und mit endlichen Energiekosten ist. Die Erkenntnisse aus diesem Kapitel sind nicht nur eine Präzisierung und Erweiterung des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik, sondern verdeutlichen auch die bedeutende Rolle, die die Kontrolle bei der Gestaltung der Erreichbarkeit verschiedener Aufgaben spielt. In Kapitel I untersuchen wir gründlich den Einfluss, den Kontrolle auf spontane Prozesse haben darf, und verknüpfen diese mit dem Prozess der Messung. Dies führt zur Entwicklung der Measurement-Equilibration Hypothesis, die ein thermodynamisch konsistentes Modell für Messungen bietet, indem sie realistische Annahmen über das Ausmaß der Kontrolle trifft, die während des gesamten Messprozesses ausgeübt werden kann. Daraus lassen sich grundsätzliche Rückschlüsse auf die Wechselwirkungen ziehen, die prinzipiell zu objektiven Ergebnissen führen können, wie wir sie aus unserer Alltagswelt kennen. Darüber hinaus gibt uns dieser Ansatz die Werkzeuge an die Hand, um langjährige Probleme in der Quantenmechanik, wie z. B. das Messproblem, aus einer neuen Perspektive zu untersuchen.
Abstract
(Englisch)
Throughout the last century, significant advancements have been made in the control of quantum systems. Although the concept of control is frequently used in literature, its definition as a resource remains vague and poorly understood. This thesis is a collection of scientific contributions made during the my PhD studies, focused on investigating the role of control in the achievability of various tasks in physics and thus taking a step towards a more concise definition of the concept of control. To obtain a comprehensive understanding of control, we analyse a diverse range of tasks and settings through a thermodynamic lens, leading to the distinction of two fundamental concepts, temporal control and structural control. In Chapter II, we establish a connection between these two concepts by examining the limitations of clocks as imposed by structural control. By identifying the process of temporal probability concentration as a fundamental part of any “ticking clock” we are able to identify the conditions that are necessary for precise time keeping and thus for maintaining high levels of temporal control. This, furthermore, allows us to identify fundamental limitations to the task of time keeping independent of the amount of control that can be exerted. Chapter III focuses on the paradigmatic task of ground-state cooling, delving into the details and complexities involved in the pursuit of zero-temperature states. Detailed analysis allows us to identify control complexity as a resource who's divergence is crucial for the achievability of ground-state cooling in finite time and with finite energy cost. The findings from this chapter are not only a precise clarification and expansion of the third law of thermodynamics, but also highlight the significant role that control plays in shaping the feasibility of various tasks. In Chapter I, we thoroughly investigate the influence that control is allowed to have on spontaneous processes and link these to the process of measurement. This results in the development of the Measurement-Equilibration Hypothesis, which offers a thermodynamically consistent model for measurements by making realistic assumptions on the extent of control that can be exerted throughout the measurement process. This allows us to draw fundamental conclusions about the interactions that can in principle lead to objective results such as we know them from our every day world. Furthermore, this approach gives us the tools to investigate long standing problems in quantum mechanics, such as the measurement problem from a new perspective.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenthermodynamik Zeit Messung Uhren Kühlung
Schlagwörter
(Englisch)
Quantumthermodynamics time clocks timekeeping cooling quantum measurement
Autor*innen
Emanuel Schwarzhans
Haupttitel (Englisch)
From resource to constraint
Hauptuntertitel (Englisch)
thermodynamic implications of control in timekeeping, cooling and measurement
Paralleltitel (Deutsch)
Von Ressource zu Einschränkung
Paralleluntertitel (Deutsch)
thermodynamische Implikationen von Kontrolle für Uhren, Kühlung und Messung
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
vii, 147 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Jonatan Bohr Brask ,
Mark Mitchison
Klassifikation
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC16858124
Utheses ID
66003
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |