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63873-01 - Vorlesung mit Übungen: Quantum Thermodynamics (4 KP)
| Semester | Frühjahrsemester 2024 |
| 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 ------------------ 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 | Wochentag | Zeit | Raum |
|---|---|---|---|
| wöchentlich | Montag | 08.00-10.00 | Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22 |
| wöchentlich | Donnerstag | 10.00-12.00 | Physik, Seminarzimmer 3.12 |
Einzeltermine
| Datum | Zeit | Raum |
|---|---|---|
| Montag 26.02.2024 | 08.00-10.00 Uhr | Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22 |
| Donnerstag 29.02.2024 | 10.00-12.00 Uhr | Physik, Seminarzimmer 3.12 |
| Montag 04.03.2024 | 08.00-10.00 Uhr | Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22 |
| Donnerstag 07.03.2024 | 10.00-12.00 Uhr | Physik, Seminarzimmer 3.12 |
| Montag 11.03.2024 | 08.00-10.00 Uhr | Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22 |
| Donnerstag 14.03.2024 | 10.00-12.00 Uhr | Physik, Seminarzimmer 3.12 |
| Montag 18.03.2024 | 08.00-10.00 Uhr | Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22 |
| Donnerstag 21.03.2024 | 10.00-12.00 Uhr | Physik, Seminarzimmer 3.12 |
| Montag 25.03.2024 | 08.00-10.00 Uhr | Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22 |
| Donnerstag 28.03.2024 | 10.00-12.00 Uhr | Ostern |
| Montag 01.04.2024 | 08.00-10.00 Uhr | Ostern |
| Donnerstag 04.04.2024 | 10.00-12.00 Uhr | Physik, Seminarzimmer 3.12 |
| Montag 08.04.2024 | 08.00-10.00 Uhr | Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22 |
| Donnerstag 11.04.2024 | 10.00-12.00 Uhr | Physik, Seminarzimmer 3.12 |
| Montag 15.04.2024 | 08.00-10.00 Uhr | Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22 |
| Donnerstag 18.04.2024 | 10.00-12.00 Uhr | Physik, Seminarzimmer 3.12 |
| Montag 22.04.2024 | 08.00-10.00 Uhr | Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22 |
| Donnerstag 25.04.2024 | 10.00-12.00 Uhr | Physik, Seminarzimmer 3.12 |
| Montag 29.04.2024 | 08.00-10.00 Uhr | Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22 |
| Donnerstag 02.05.2024 | 10.00-12.00 Uhr | Physik, Seminarzimmer 3.12 |
| Montag 06.05.2024 | 08.00-10.00 Uhr | Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22 |
| Donnerstag 09.05.2024 | 10.00-12.00 Uhr | Auffahrt |
| Montag 13.05.2024 | 08.00-10.00 Uhr | Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22 |
| Donnerstag 16.05.2024 | 10.00-12.00 Uhr | Physik, Seminarzimmer 3.12 |
| Montag 20.05.2024 | 08.00-10.00 Uhr | Pfingstmontag |
| Donnerstag 23.05.2024 | 10.00-12.00 Uhr | Physik, Seminarzimmer 3.12 |
| Montag 27.05.2024 | 08.00-10.00 Uhr | Physik, Alter Hörsaal 2, 1.22 |
| Donnerstag 30.05.2024 | 10.00-12.00 Uhr | Physik, Seminarzimmer 3.12 |
| Module |
Modul: Vertiefung Physik (Masterstudium: Nanowissenschaften) Modul: Vertiefungsfach (Masterstudium: Physik) |
| Prüfung | Lehrveranst.-begleitend |
| An-/Abmeldung zur Prüfung | Anm.: Belegen Lehrveranstaltung; Abm.: stornieren |
| Wiederholungsprüfung | keine Wiederholungsprüfung |
| Skala | 1-6 0,5 |
| Belegen bei Nichtbestehen | beliebig wiederholbar |
| Zuständige Fakultät | Philosophisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, studiendekanat-philnat@unibas.ch |
| Anbietende Organisationseinheit | Departement Physik |