Ein thermodynamisch konsistenter Ansatz zu den Energiekosten quantenmechanischer Messungen

Unter Berücksichtigung eines allgemeinen mikroskopischen Modells für ein quantenmessendes Gerät, das eine Quantensonde umfasst, die mit einem thermischen Reservoir gekoppelt ist, analysieren wir die energetischen Ressourcen, die für die Durchführung einer Quantenmessung erforderlich sind. Diese umfasst die Erzeugung von System-Apparat-Korrelationen, den irreversiblen Übergang zu einer statistischen Mischung definitiver Ergebnisse und das Zurücksetzen des Apparats. Entscheidend ist, dass wir nicht auf eine weitere Quantenmessung zurückgreifen, um das Entstehen objektiver Messresultate zu erfassen, sondern vielmehr die Eigenschaften des thermischen Reservoirs nutzen, das das Messergebnis in seinen Freiheitsgraden redundant aufzeichnet und damit das Paradigma des quantenmechanischen Darwinismus natürlich umsetzt. In der Praxis erlaubt uns dieses Modell eine quantitative thermodynamische Analyse für den Messprozess. Aus dem Ausdruck des zweiten Gesetzes zeigen wir, wie die minimal erforderliche Arbeit von der Energiedifferenz des gemessenen Systems sowie von informationstheoretischen Größen abhängt, die die Leistung der Messung kennzeichnen – Effizienz und Vollständigkeit. Darüber hinaus zeigen wir, dass es möglich ist, eine thermodynamisch reversible Messung durchzuführen, wodurch das minimale Arbeitsaufkommen erreicht wird, und stellen das entsprechende Protokoll bereit. Schließlich veranschaulichen wir bei zeitlich begrenzten Messprotokollen die steigenden Arbeitskosten, die durch die zunehmende Entropieproduktion bedingt sind, die bei zeitlich begrenzten thermodynamischen Prozessen inhärent ist. Dies beleuchtet einen aufkommenden Kompromiss zwischen der Geschwindigkeit der Messung und den Arbeitskosten, zusätzlich zu einem Kompromiss zwischen der Effizienz der Messung und den Arbeitskosten.