Correlations and thermodynamic description of strongly coupled quantum systems

This thesis is concerned with the description of strongly coupled quantum systems. In the investigation of such systems the validity of the second law of thermodynamics has been challenged repeatedly. Due to the finite coupling energy between system and bath such systems do not relax to a Gibbsian ground state. It is shown how this energy has to be taken into account in a consistent thermodynamic description of strongly coupled quantum systems. Therefore, the validity of the second law can be shown using the example of the damped harmonic oscillator. Furthermore, the correlations that arise between system and bath due to the finite coupling are examined from an information theoretic angle. The entanglement between system and bath - quantified by the negativity - as well as the quantum discord are evaluated. Moreover, the possibility to quantify correlations in an operational way are investigated.Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Beschreibung stark gekoppelter quantenmechanischer Systeme. Im Zuge der Untersuchung solcher Systeme wurde die Gültigkeit des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik verschiedentlich in Frage gestellt. Durch die endliche Kopplungsenergie zwischen System und Bad relaxiert ein solches System nicht in einen durch eine Gibbs Verteilung beschriebenen Zustand. Es wird veranschaulicht, wie die Berücksichtigung dieser Energie zu einer konsistenten thermodynamischen Beschreibung stark gekoppelter quantenmechanischer Systeme führt. Damit kann die Gültigkeit des Zweiten Hauptsatzes am Beispiel des gedämpften harmonischen Oszillators bestätigt werden. Des Weiteren wird darauf eingegangen wie die durch die Kopplung verursachten Korrelationen zwischen System und Bad im Rahmen der Quanteninformationstheorie beschrieben werden können. Es werden dabei sowohl die Verschränkung zwischen System und Bad durch die sogenannte Negativity als auch der Quantendiscord für den gedämpften harmonischen Oszillator berechnet. Zudem wird auf die Möglichkeit die Korrelationen durch operative Maße zu beschreiben eingegangen

Landauer's principle in the quantum domain

Recent papers discussing thermodynamic processes in strongly coupled quantum systems claim a violation of Landauer's principle and imply a violation of the second law of thermodynamics. If true, this would have powerful consequences. Perpetuum mobiles could be build as long as the operating temperature is brought close to zero. It would also have serious consequences on thermodynamic derivations of information theoretic results, such as the Holevo bound. Here we argue why these claims are erroneous. Correlations occurring in the strongly coupled, quantum domain require a rethink of how entropy, heat and work are calculated. It is shown that a consistent treatment solves the paradox

Validity of Landauer's principle in the quantum regime

We demonstrate the validity of Landauer's erasure principle in the strong coupling quantum regime by treating the system-reservoir interaction in a consistent way. We show that the initial coupling to the reservoir modifies both energy and entropy of the system and provide explicit expressions for the latter in the case of a damped quantum harmonic oscillator. These contributions are related to the Hamiltonian of mean force and dominate in the strong damping limit. They need therefore to be fully taken into account in any low-temperature thermodynamic analysis of quantum systems.Comment: 4 pages, 2 figure

Alternativen zur Zinkphosphatierung: Vielversprechende Ergebnisse mit Dünnschichtvorbehandlungen auf Basis von Zirkonoxid

Im Rahmen eines Forschungsprojekts untersuchte das Fraunhofer IPA jetzt alternative Vorbehandlungen zur Zinkphosphatierung. Hierbei wurden zwei neue Zirkonoxid-basierte Vorbehandlungen auf Stahl-, verzinkten Stahl- und Aluminiumwerkstoffen im Vergleich zu einer marktüblichen Trikation-Zinkphosphatierung als Benchmark geprüft