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Information-theoretic methods for physics

Titel Englisch Information-theoretic methods for physics
Gesuchsteller/in Renner Renato
Nummer 119868
Förderungsinstrument Projektförderung (Abt. I-III)
Forschungseinrichtung Institut für Theoretische Physik ETH Zürich
Hochschule ETH Zürich - ETHZ
Hauptdisziplin Theoretische Physik
Beginn/Ende 01.04.2008 - 31.03.2011
Bewilligter Betrag 540'483.00
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Keywords (7)

quantum information; statistical mechanics; nonequilibrium systems; information theory; quantum mechanics; entropy; many-body systems

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Lay summary
Information ist immer in irgend einer Form physikalisch repräsentiert, sei es durch die Magnetisierung der Oberfläche einer Festplatte, die Position der Tinte auf einem Blatt Papier, oder die Sequenz der Basenpaare einer DNA. Damit sind auch Vorgänge wie die Übertragung oder die Verarbeitung von Information letztlich physikalische Prozesse. Mit seinem berühmten Ausspruch "Information ist physikalisch" hat Rolf Landauer diese enge Beziehung zwischen der Physik und der Informationstheorie auf den Punkt gebracht.

Das vorliegende Forschungsprojekt basiert gewissermassen auf der Umkehrung dieser Erkenntnis. Die Idee dabei ist, physikalische Vorgänge und Systeme in der Sprache der Informationstheorie zu beschreiben und mit deren Methoden zu untersuchen. In der Tat beruhen physikalische Gesetze oft auf Konzepten mit informationstheoretischer Bedeutung. Das bekannteste Beispiel hierfür ist wohl der zweite Hauptsatz der Wärmelehre, welcher besagt, dass die von Neumann-Entropie eines geschlossenen Systems nicht abnehmen kann. In der Informationstheorie wird die von Neumann-Entropie als ein Mass für Unsicherheit (d.h., fehlende Information) verstanden. Damit entspricht der zweite Hauptsatz der Aussage, dass ein Beobachter über den Zustand eines geschlossenen physikalischen Systems keine Information gewinnen kann.

Konkret besteht das Ziel dieses Forschungsprojektes darin, Konzepte und Techniken der Informationstheorie so zu erweitern, dass sie zur Analyse physikalischer Systeme genutzt werden können. So arbeiten wir etwa an der Entwicklung neuartiger Entropie-Masse, welche die oben erwähnte von Neumann-Entropie verallgemeinern. Diese sollen dann beispielsweise das Studium von Problemen der Thermodynamik in Situationen ermöglichen, in denen herkömmliche Methoden nicht anwendbar sind. Langfristig erhoffen wir uns von diesen Untersuchungen auch neue Erkenntnisse über die grundlegende Bedeutung von Information in der Physik, wie etwa den Zusammenhang zwischen "thermodynamischer Entropie" und "informationstheoretischer Entropie". (Dieser Zusammenhang wurde beispielsweise von Landauer postuliert. Sein "Auslösch-Prinzip" besagt, dass das Löschen von in einem Speicher enthaltener Information zwingend die Entropie der Umgebung erhöht.)

Neben diesen theoretischen Einsichten erwarten wir auch Resultate mit direkter praktischer Relevanz, etwa im Zusammenhang mit dem Design von Kommunikationssystemen. Beispielsweise haben sich Varianten der oben beschriebenen Entropie-Masse bereits als wertvolles Werkzeug für die Untersuchung von (praktisch realisierbaren) Quantenkryptographie-Systemen erwiesen.
Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 21.02.2013

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
135048 Information-theoretic methods for physics 01.04.2011 Projektförderung (Abt. I-III)

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