Forscher der Technischen Universität Wien haben bedeutende Fortschritte im Verständnis der quantenmechanischen Entropie erzielt und dabei langjährige Überzeugungen in diesem Bereich in Frage gestellt. Ihre Studie, veröffentlicht in PRX Quantum am 3. Februar 2025, zeigt, dass die Entropie in einem geschlossenen quantenmechanischen System über die Zeit zunimmt, bis sie einen Höchststand erreicht, was sie mit den klassischen thermodynamischen Prinzipien in Einklang bringt.
Traditionell wurde angenommen, dass die Quantenphysik außerhalb der Gesetze der Thermodynamik operiert, insbesondere des zweiten Gesetzes, das besagt, dass die Entropie in einem isolierten System tendenziell zunimmt. Dieses Missverständnis stammt von den Arbeiten des Mathematikers John von Neumann, der vorschlug, dass die Entropie konstant bleibt, wenn vollständige Informationen über ein quantenmechanisches System bekannt sind.
Die Wiener Forscher argumentieren jedoch, dass diese Perspektive fehlerhaft ist. Sie betonen, dass vollständiges Wissen über ein quantenmechanisches System aufgrund inhärenter Unsicherheiten in der Messung grundsätzlich unerreichbar ist. Stattdessen schlagen sie vor, die Shannon-Entropie, ein Konzept, das 1948 von Claude Shannon entwickelt wurde, zu verwenden, um die Unsicherheit in spezifischen beobachtbaren Ergebnissen zu messen.
Florian Meier, der Hauptautor der Studie, erklärte, dass die Shannon-Entropie null beträgt, wenn nur ein Messergebnis mit Sicherheit möglich ist, was bedeutet, dass keine neuen Informationen gewonnen werden. Umgekehrt führt ein System mit mehreren möglichen Ergebnissen zu einer hohen Shannon-Entropie, was eine größere Unsicherheit und das Potenzial für neue Erkenntnisse widerspiegelt.
Die Forscher veranschaulichen, dass die Entropie eines quantenmechanischen Systems mit der Zeit zunimmt, was dem Verhalten entspricht, das in der klassischen Thermodynamik beobachtet wird, bis sie sich im Gleichgewicht stabilisiert. Diese Erkenntnis impliziert, dass das zweite Gesetz der Thermodynamik für isolierte quantenmechanische Systeme gilt, sofern die richtigen Fragen gestellt und angemessene Definitionen von Entropie verwendet werden.
Diese Forschung vertieft nicht nur unser Verständnis der Quantenmechanik, sondern hat auch potenzielle Anwendungen in der Quanteninformatik und Informationstheorie, wo das Management und die Manipulation von Entropie entscheidend für die Entwicklung effizienter Algorithmen und Systeme sind.