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63873-01 - Vorlesung mit Übungen: Quantum Thermodynamics 4 KP

Semester Frühjahrsemester 2023
Angebotsmuster Jedes Frühjahrsem.
Dozierende Patrick Potts (patrick.potts@unibas.ch, BeurteilerIn)
Inhalt The theory of quantum thermodynamics investigates how the concepts of heat, work, and temperature can be carried over to the quantum realm, where fluctuations and randomness are fundamentally unavoidable. This lecture provides an introduction to the thermodynamics of small quantum systems. After illustrating how the laws of thermodynamics emerge from quantum theory we will discuss how open quantum systems can be modeled. We then consider models of quantum systems that are designed to perform a certain task, such as cooling or generating entanglement. Finally, we investigate how fluctuations can be taken into account in a thermodynamic description by extending the laws of thermodynamics.

Preliminary Outline:

I Introduction
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I.1 Basic concepts
I.1.1 Linear algebra
I.1.2 The density matrix
I.1.3 Second quantization
I.2 Information theory

II. Thermodynamic Equilibrium
-----------------------------------------
II.1 Grand canonical ensemble - the Gibbs state
II.1.1 Subsystem of closed system
II.1.2 Jaynes' maximum entropy principle
II.1.3 Global passivity
II.2 Equivalence of ensembles in the thermodynamic limit

III The Laws of Thermodynamics
--------------------------------------------
III.1 The general scenario
III.2 Entropy production
III.3 The first law of thermodynamics
III.4 The second law of thermodynamics
III.5 The zeroth law of thermodynamics
III.6 The third law of thermodynamics

IV Markovian Master Equations
------------------------------------------
IV.1 Nakajima-Zwanzig superoperators
IV.2 Born-Markov approximations
IV.2.1 Example: equilibration of a quantum dot
IV.3 Obtaining GKLS form
IV.3.1 The secular approximation
IV.3.2 The singular coupling limit
IV.3.3 The unified GKLS master equation
IV.3.4 Example: a quantum double dot

V Quantum Thermal Machines
-----------------------------------------
V.1 A quantum dot heat engine
V.1.1 Master equation
V.1.2 The first law
V.1.3 The second law
V.1.4 Refrigeration
V.2 Entanglement generator
V.2.1 Entanglement
V.2.2 The master equation
V.3 Absorption refrigerator
V.3.1 The master equation
V.3.2 Figures of merit
V.3.3 Perturbation theory
V.3.4 Coherence enhanced cooling

VI Fluctuations
--------------------
VI.1 Fluctuation theorem for a closed system
VI.1.1 The two-point measurement scheme
VI.1.2 The backward experiment
VI.1.3 Fluctuation theorems
VI.2 Fluctuation theorem for the general scenario
VI.2.1 Forward trajectories
VI.2.2 Backward trajectories
VI.2.3 Fluctuation theorems
VI.3 Full counting statistics
VI.3.1 Counting particles
VI.3.2 Example: transport through a quantum dot
VI.3.3 Counting heat and work
VI.4 Thermodynamic uncertainty relations
VI.4.1 Current & current noise
VI.4.2 Application: heat engine

VII Summary

VIII Outlook

 

Unterrichtssprache Englisch
Einsatz digitaler Medien kein spezifischer Einsatz

 

Intervall wöchentlich
Datum 20.02.2023 – 02.06.2023
Zeit Montag, 10.15-12.00 Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22
Freitag, 08.00-12.00 Physik, Seminarzimmer 3.12
Datum Zeit Raum
Montag 20.02.2023 10.15-12.00 Uhr Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22
Freitag 24.02.2023 08.00-12.00 Uhr Physik, Seminarzimmer 3.12
Montag 27.02.2023 10.15-12.00 Uhr Fasnachstferien
Freitag 03.03.2023 08.00-12.00 Uhr Fasnachstferien
Montag 06.03.2023 10.15-12.00 Uhr Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22
Freitag 10.03.2023 08.00-12.00 Uhr Physik, Seminarzimmer 3.12
Montag 13.03.2023 10.15-12.00 Uhr Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22
Freitag 17.03.2023 08.00-12.00 Uhr Physik, Seminarzimmer 3.12
Montag 20.03.2023 10.15-12.00 Uhr Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22
Freitag 24.03.2023 08.00-12.00 Uhr Physik, Seminarzimmer 3.12
Montag 27.03.2023 10.15-12.00 Uhr Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22
Freitag 31.03.2023 08.00-12.00 Uhr Physik, Seminarzimmer 3.12
Montag 03.04.2023 10.15-12.00 Uhr Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22
Freitag 07.04.2023 08.00-12.00 Uhr Ostern
Montag 10.04.2023 10.15-12.00 Uhr Ostern
Freitag 14.04.2023 08.00-12.00 Uhr Physik, Seminarzimmer 3.12
Montag 17.04.2023 10.15-12.00 Uhr Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22
Freitag 21.04.2023 08.00-12.00 Uhr Physik, Seminarzimmer 3.12
Montag 24.04.2023 10.15-12.00 Uhr Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22
Freitag 28.04.2023 08.00-12.00 Uhr Physik, Seminarzimmer 3.12
Montag 01.05.2023 10.15-12.00 Uhr Tag der Arbeit
Freitag 05.05.2023 08.00-12.00 Uhr Physik, Seminarzimmer 3.12
Montag 08.05.2023 10.15-12.00 Uhr Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22
Freitag 12.05.2023 08.00-12.00 Uhr Physik, Seminarzimmer 3.12
Montag 15.05.2023 10.15-12.00 Uhr Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22
Freitag 19.05.2023 08.00-12.00 Uhr Auffahrt
Montag 22.05.2023 10.15-12.00 Uhr Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22
Freitag 26.05.2023 08.00-12.00 Uhr Physik, Seminarzimmer 3.12
Montag 29.05.2023 10.15-12.00 Uhr Pfingstmontag
Freitag 02.06.2023 08.00-12.00 Uhr Physik, Seminarzimmer 3.12
Module Modul: Vertiefung Physik (Masterstudium: Nanowissenschaften)
Modul: Vertiefungsfach (Masterstudium: Physik)
Leistungsüberprüfung Lehrveranst.-begleitend
An-/Abmeldung zur Leistungsüberprüfung An-/Abmelden: Belegen resp. Stornieren der Belegung via MOnA
Wiederholungsprüfung keine Wiederholungsprüfung
Skala 1-6 0,5
Wiederholtes Belegen beliebig wiederholbar
Zuständige Fakultät Philosophisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, studiendekanat-philnat@unibas.ch
Anbietende Organisationseinheit Departement Physik

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