Es sei möglich, den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik im Quantenbereich zu überwinden, sagen Physiker.

Nanotechnologie

Redaktionsteam der Website für technologische Innovation – 07.11.2025

Eine Quantenmaschine mit zwei Oszillatoren, deren Bau auf atomarer Ebene laut den beiden Physikern möglich ist. [Bild: Milton Aguilar et al. - 10.1126/sciadv.adw8462]

Quantenthermodynamik

Die Debatte über die Existenz oder Nichtexistenz der Quantenthermodynamik hat Physiker begeistert, da die Frage sehr weitreichende Implikationen hat, die von der Konstruktion von Quantenbatterien bis hin zu atomaren Motoren mit unübertroffener Effizienz reichen.

Milton Aguilar und Eric Lutz von der Universität Stuttgart behaupten nun, einen mathematischen Beweis dafür zu haben, dass die Quantenmechanik den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auf atomarer Ebene überwindet.

Der Effekt ist dramatisch: So wie ein Quantencomputer Quantenüberlegenheit demonstrieren kann und Probleme löst, die für einen klassischen Computer unpraktisch sind, könnte es dann auch Überlegenheit für Motoren geben, zum Beispiel einfach durch den Bau von Motoren unter Verwendung der Eigenschaften der Quantenmechanik.

Die beiden Forscher behaupten, bewiesen zu haben, dass das Carnotsche Prinzip , ein zentrales Gesetz der Thermodynamik, nicht für Objekte auf atomarer Ebene gilt, deren physikalische Eigenschaften durch Phänomene verknüpft sind, die nur in der Quantenwelt existieren. Diese Objekte, sogenannte korrelierte Teilchen, teilen Eigenschaften, ohne dass ein Informationsaustausch erforderlich ist – dies ist der Fall bei Teilchen, die durch Quantenverschränkung miteinander verbunden sind.

Sollten die von den beiden vorgelegten Beweise Bestand haben, dann wird es wieder möglich sein, Quantenmaschinen zu bauen – Maschinen im atomaren Maßstab mit absoluter Effizienz.

„Winzige Motoren, so groß wie ein einzelnes Atom, könnten in Zukunft Realität werden“, sagte Lutz. „Es ist mittlerweile auch erwiesen, dass diese Motoren einen höheren Spitzenwirkungsgrad erreichen können als größere Wärmekraftmaschinen.“

Betriebsmodi korrelierter Motoren, d. h. solcher, die Eigenschaften durch Quantenverschränkung teilen. Abhängig vom Verhältnis zwischen thermischen und nicht-thermischen Beiträgen können korrelierte Motoren Arbeit durch Umwandlung von Wärme (thermischer Modus) oder entropischen Ressourcen wie Korrelationen (nicht-thermischer Modus) erzeugen. [Bild: Milton Aguilar et al. - 10.1126/sciadv.adw8462]

Überlegenheit der Quantenmechanik

Im Jahr 1824 berechnete der französische Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796–1832) die ideale Umwandlung von Wärme in Arbeit und legte damit eine obere Grenze für den Wirkungsgrad fest, mit dem Wärme in Arbeit umgewandelt werden kann oder umgekehrt, indem er ein geschlossenes System verschiedenen Temperaturen und Drücken aussetzte.

Dazu gehören Verbrennungsmotoren und Dampfturbinen, die Wärmekraftmaschinen sind und Wärme in Bewegung umwandeln, genauer gesagt, thermische Energie in mechanische Bewegung.

Die Frage ist, ob Motoren, wenn sie immer miniaturisiert werden – sie haben bereits die mikroskopische Skala erreicht –, immer dem Carnotschen Prinzip gehorchen müssen oder ob sie sich von dieser Verpflichtung befreien und einen „ Quantenvorteil “ aufweisen werden.

„Carnot hat gezeigt, dass die Temperaturdifferenz einen entscheidenden Einfluss hat: Je größer der Unterschied zwischen heiß und kalt, desto höher der maximal mögliche Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine. Allerdings vernachlässigt das Carnotsche Prinzip den Einfluss sogenannter Quantenkorrelationen. Dabei handelt es sich um spezielle Bindungen, die sich zwischen Teilchen auf einer sehr kleinen Skala bilden.“

„Wir haben erstmals verallgemeinerte Gesetze der Thermodynamik abgeleitet, die diese Korrelationen vollständig berücksichtigen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Wärmekraftmaschinen auf atomarer Ebene nicht nur Wärme, sondern auch Korrelationen in Arbeit umwandeln können. Dadurch können sie mehr Arbeit verrichten – und der Wirkungsgrad einer Quantenmaschine kann die traditionelle Carnot-Grenze übertreffen“, schrieben die beiden Physiker.

Klugheit und Geduld

Die Arbeit der beiden Physiker wurde soeben veröffentlicht, was bedeutet, dass andere Experten die Schlussfolgerungen bereits bestätigt haben. Doch vielleicht reicht das noch nicht aus, um in dieser Angelegenheit ein endgültiges Urteil zu fällen.

Falls Sie das Thema nicht verfolgt haben, sollten Sie wissen, dass im Jahr 2023 zwei andere Physiker eine Arbeit veröffentlichten, in der sie zu dem Schluss kamen, dass es kein „zweites Gesetz der Verschränkung“ gibt, ein Quantenäquivalent zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik .

Weniger als ein Jahr später entdeckte das gleiche Forscherpaar jedoch Fehler in ihrer eigenen Arbeit, was sie dazu veranlasste, einen weiteren Artikel mit der gegenteiligen Schlussfolgerung zu veröffentlichen, nämlich dass die Quantenthermodynamik tatsächlich existiert .

Unterdessen fand vor gut zwei Monaten ein anderes Team einen weiteren Weg, diese letzte Schlussfolgerung zu untermauern, nämlich dass es ein dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik analoges Gesetz für die Quantenwelt gibt . Und sie taten dies mithilfe der Quantenverschränkung, die Physiker für irreversibel hielten.

Daher wäre es möglicherweise ratsamer, die nächsten Kapitel dieser Quantendiskussion abzuwarten.

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