Thermodynamic Considerations in Quantum Information Processing

Diese Habilitationsschrift behandelt paradigmatische Situationen der Quantenthermodynamik, welche im Detail in Publikationen beschrieben werden, welche in vollem Umfang in dieser Habilitationsschrift wiedergegeben werden. Die ausgewählten Beispiele illustrieren das Wechselspiel zwischen Thermodynamik und Quanteninformationstheorie, und ihren jeweiligen Ressourcen. Insbesondere, betrachten wir Situationen, in denen nur unvollständige Information zu den betrachteten Quantensystemen vorliegen, und diese daher als anfangs in thermischem Equilibrium in Bezug auf die Umgebung vorliegend angenommen werden. In solchen Systemen kann Arbeit in informationstheoretisch wertvolle Ressourcen (wie etwa verschiedene Formen von Korrelationen) umgewandelt werden. Umgekehrt, ist dort die Extraktion, Speicherung, und Abschätzung von Arbeit durch informationstheoretische Überlegungen (etwa, die Komplexität der herangezogenen physikalischen Operationen) eingeschränkt. Zur Beschreibung dieser Sachverhalte beginnt diese Habilitationsschrift im ersten Abschnitt mit einem Überblick über relevante Konzepte und Definitionen aus der Quantenthermodynamik, der Quantenoptik, und der Quanteninformationstheorie: Angefangen mit der Betrachtung von Problemen der Definition und Bestimmung von Arbeit und ihrer Fluktuationen, bietet diese Habilitationsschrift eine kurze Zusammenfassung von gängigen Ansätzen zur Untersuchung fundamentaler und praktischer Limitationen für die Extraktion und Speicherung von Arbeit in quantenoptischen Systemen. Anschließend folgt eine Betrachtung der Umwandelbarkeit von Arbeit in Korrelationen. Zu diesem Zweck, werden verschiedene Korrelationstypen und deren Erzeugbarkeit durch Aufwendung von Arbeit diskutiert, bevor die wichtigsten Schlüsse zusammengefasst werden und ein Ausblick auf offene Fragen geboten wird. Der zweite Abschnitt präsentiert schließlich die zuvor erwähnten ausgewählten Publikationen zu diesen Themen.