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The resource of time in quantum information theory

English title The resource of time in quantum information theory
Applicant Woods Mischa
Number 179914
Funding scheme Ambizione
Research institution Institut für Theoretische Physik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Theoretical Physics
Start/End 01.01.2019 - 31.12.2022
Approved amount 599'126.00
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Keywords (9)

Leggett-Garg Inequality; quantum resource theories; Time in quantum theory; quantum clocks; quantum thermodynamics; quantum time dilation; quantum information theory; timing devices; stopwatches

Lay Summary (German)

Lead
Uhren gehören zu den ältesten Erfindungen der Menschheit und wurden schon in alten Kulturen als Mittel zur Organisation der Gesellschaft verwendet. Fortschritte in der Genauigkeit und Handhabung der Uhren machten Entwicklungen wie die genaue Navigation auf hoher See oder ein zeitlich optimiertes Eisenbahnnetz möglich, was wiederum wichtige Voraussetzungen für die industrielle Revolution waren. Die heutzutage genausten Uhren sind technisch sehr ausgefeilte Atomuhren. Sie messen unvorstellbar kleine Energieunterschiede in Atomen und benötigen daher eine quantenmechanische Beschreibung. Genauso wie Pendeluhren die industrielle Revolution vorantrieben, werden die Atomuhren der neusten Generation ein neues technologisches Zeitalter einläuten, in dem mittels quantenmechanischen Effekten völlig neue Apparate und Instrumente ermöglicht werden. Die fundamentalen Grenzen für die Genauigkeit von Zeitmessgeräten hingegen sind vorerst noch nicht ausreichend erforscht worden
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts:

Obwohl die Natur der Zeit ein uraltes Problem sowohl für Physiker als auch für Philosophen darstellt, gibt es immer noch viele grundlegende Fragen, die wir noch nicht verstehen. In meiner Forschung möchte ich die ultimativen Grenzen von Zeitmessgeräten finden, welche durch die Gesetze der Natur gegeben sind. Dazu gehören Fragen wie: Wie klein und gleichzeitig genau kann eine Uhr sein? Können quantenmechanische Effekte ausgenutzt werden, um erheblich effizientere Uhren bezüglich Energieverbrauch und Entropieproduktion zu konstruieren? Was für Anwendungen neben der Zeitmessung könnten quantenmechanische Uhren haben?

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungspro-Jekts:

Die Resultate meiner Forschung werden zu einem besseren Verständnis der fundamentalen Grenzen von Quantentechnologien beitragen und dadurch deren zielgerichtete Entwicklung ermöglichen und vorantreiben.

Direct link to Lay Summary Last update: 26.08.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Quantum information theory has historically demonstrated itself to be well positioned for uncovering the genuinely quantum properties and speedups of a given field-quantum computation being a prominent example. I will use mathematical tools and insights from quantum information theory in the study of clocks. Specifically, a clock can be understood as a subtle interplay between two themes; measurement and dynamics-measure the time marked by the clock too strongly, and its dynamics will be very disturbed, carrying with it an imprint of the particular time you happened to measure it. Yet measure too weakly, and you won’t gain much information about time at all. Larger dimension allows the clock to carry more bits (quantum or classical) of information about time, while larger energy allows for less measurement disturbance and entropy production. The storage, manipulation and processing of information are themes which the field of Quantum Information has been developed to address. It is therefore well suited to study and derive fundamental properties of timing devices such as clocks. My research on clocks can be characterised into three areas: 1) Understanding the fundamental limitations of clocks as a function of their properties such as size and entropy production. 2) How any inherent limitations to time keeping devices limit other devices which require time reference frames, and 3) foundational questions involving time. Throughout these three areas of research, I will be investigating whether there are any differences between quantum and classical clocks and understanding any quantum advantages which emerge.
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