Mitglieder des SNI-Netzwerks haben einen neuen theoretischen Ansatz zur Thermodynamik in Quantensystemen, die mit Licht interagieren, entwickelt. Dabei berücksichtigen die Forschenden um Prof. Dr. Patrick Potts (Departement Physik, Universität Basel), dass das von solchen Systemen emittierte Licht nicht nur Abwärme, sondern auch nutzbare Energie enthalten kann. 

Die untersuchten Quantensysteme interagieren mit Licht, das zwischen Spiegeln eingeschlossen ist und einen optischen „Resonator“ bildet. Diese Systeme spielen eine zentrale Rolle in vielen modernen Technologien – von Lasern bis hin zu neuen Plattformen für Quantenkommunikation und -computing. Allerdings ist es nach wie vor schwierig zu verstehen, wie diese Systeme Energie nutzen und umwandeln. 

Anders als in der Makrowelt
In der uns bekannten Makrowelt können wir beispielsweise bei einem Motor klar zwischen Arbeit (nützlicher Energie) und Wärme (Abfallenergie) unterscheiden. In der Quantenwelt behandelt der Standardansatz der Thermodynamik alles Licht, das einen Resonator verlässt, als Wärme und damit als Abfallenergie, selbst wenn dieses Licht tatsächlich nützlich ist – wie beispielsweise bei der Leistung eines Lasers. 

Der kürzlich in «Physical Review Letters» vorgestellte neue Ansatz der Basler Forschenden erlaubt die Unterscheidung zwischen der emittierten nutzbaren Energie, die in der durchschnittlichen Amplitude des Lichts gespeichert ist, und dem Teil, der tatsächlich als Wärme verloren geht und in zufälligen Fluktuationen gespeichert ist. 

«Diese verfeinerte Analyse ermöglicht es uns, die Energieumwandlung und -effizienz in optischen Resonatoren und deren Netzwerken sinnvoll zu diskutieren», bemerkt Max Schrauwen von der RWTH Aachen. «Solche Netzwerke könnten die Grundlage für ein Quanteninternet bilden, und unser Rahmenkonzept ist ein wesentlicher Schritt zum Verständnis der Thermodynamik dieser zukünftigen Quantentechnologien,» fügt Aaron Daniel aus dem Potts-Team hinzu.

Originalpublikation
Max Schrauwen, Aaron Daniel, Marcelo Janovitch and Patrick P. Potts
Thermodynamic framework for coherently driven systems
Physical Review Letters (2025), doi: 10.1103/zdbv-rksc

Weitere Informationen
Forschungsgruppe Prof. Dr. Patrick Potts:
https://qtd.physik.unibas.ch/en/