Als Doktorandin des European Campus arbeitet Alessandra Colla an ihrer Dissertation in Quantenphysik. Die Freiburger Physikerin promoviert im Doktorandenprogramm „QUSTEC – Quantum Sciences and Technologies at the European Campus“. Die 26-Jährige forscht für ihre Dissertation an der Unumkehrbarkeit und Entropieproduktion in Quanten-Nichtgleichgewichtssystemen und beschäftigt sich dabei mit essenziellen Fragen der Quantenwissenschaft.

Dass sich Alessandra Colla mit Leib und Seele der Grundlagenforschung verschrieben hat, glaubt man ihr sofort. „Ich bin überzeugt, dass darin die Wurzel unseres technologischen Fortschritts liegt. Nur wenn wir grundlegende Prinzipien entdecken und erforschen, können wir sie für praktische Anwendungen nutzen wie zum Beispiel für effiziente quantenthermodynamische Maschinen“, sagt Colla. Es ist nicht verwunderlich, dass sich die 26-Jährige, die ihren Master in Theoretischer Physik an der italienischen Universität Padua absolvierte, nach ersten Berufserfahrungen wieder für die Forschung entschied – genauer für die Promotion. Um ihre internationalen Erfahrungen auszubauen, hat sie für diesen Schritt nach einem Programm im europäischen Ausland gesucht.

Effiziente Techniken entwickeln
Seit März 2020 lebt und forscht Alessandra Colla in Freiburg und ist Teil des Doktorandenprogramms QUSTEC. Es ist an den Verbund Eucor – The European Campus angegliedert und richtet sich an Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler, die sich wie Colla intensiv mit den Grundlagen und Anwendungsmöglichkeiten der Quantenwissenschaft auseinandersetzen. In vielen Bereichen gilt sie als Hoffnungsträger: „Die Quantenwissenschaft liefert die grundlegendste Theorie physikalischer Phänomene“, erklärt Colla. „Sie verwendet neuartige Ideen und Konzepte, die sich oft jeder intuitiven Erklärung entziehen. Diese Ideen bieten ein großes Potenzial für unterschiedliche Anwendungen wie Quantenberechnung, sichere Kryptografie, Simulation und Steuerung komplexer Materialien und chemischer Reaktionen sowie Quantenmetrologie.“

Im Rahmen ihrer Dissertation beschäftigt sich Alessandra Colla mit der Unumkehrbarkeit und Entropieproduktion in Quanten-Nichtgleichgewichtssystemen. „In den Grundgesetzen der klassischen Thermodynamik steht Entropie als Größe für das Maß an Unsicherheit über den Zustand eines bestimmten physikalischen Systems oder für den Grad der Störung in diesem System“, erklärt sie. „Während die Entropieproduktion in der klassischen Thermodynamik klar definiert ist, ist es für komplexe offene Systeme im Quantenregime jedoch äußerst schwierig oder sogar unmöglich, diese zu bestimmen.“

Collas Ziel ist es daher, effiziente Techniken zu entwickeln, mit denen die Entropieproduktion in Quantensystemen, die weit vom thermischen Gleichgewicht entfernt sind, erhalten bleiben kann. Um das Verhalten der komplexen physikalischen Systeme besser vorhersagen zu können, führt die Doktorandin unter anderem analytische Berechnungen und Computersimulationen durch. Dabei versucht sie, Konzepte und Methoden aus unterschiedlichen Bereichen miteinander zu verbinden – nämlich jene der Nichtgleichgewichtsthermodynamik und statistischen Physik auf der einen und die der klassischen und Quanteninformationstheorie auf der anderen Seite. „Das ist ein ebenso faszinierender wie herausfordernder Aspekt meiner Arbeit.“

Umfassender Wissensaustausch
Über ihre Motivation, sich auf eine der 39 Promotionsstellen zu bewerben, sagt die gebürtige Italienerin: „QUSTEC hatte ein Projekt ausgeschrieben, das inhaltlich sehr gut zu meinem akademischen Werdegang passte. Zudem gefiel mir die interdisziplinäre Ausrichtung des Programms und die Tatsache, dass QUSTEC junge Wissenschaftler von Universitäten aus Frankreich, der Schweiz und Deutschland vereint.“ Ihr sei der Kontakt zu Forschenden aus anderen Disziplinen wichtig, um ihren fachlichen Horizont zu erweitern und Projekte sowie Entwicklungen anderer Gebiete im Blick zu behalten. Positiv bewertet Alessandra Colla, dass QUSTEC nicht nur fachliche Kompetenzen fördere: „Wir werden unter anderem im Umgang mit Forschungsdaten geschult und lernen, wie wir mit einer großen Gruppe von Personen zusammenarbeiten und Veranstaltungen organisieren.“

Zusammenarbeit heißt in Corona-Zeiten häufig: Videochat und Onlinekonferenzen. Pandemiebedingt mussten alle geplanten Treffen bislang digital stattfinden – so auch die dreitägige Auftaktveranstaltung zum Start des QUSTEC-Programms. Obwohl der digitale Ideenaustausch besser als erwartet funktioniere, hoffe sie, ihre Kolleginnen und Kollegen bald persönlich zu treffen und noch mehr über ihre Projekte zu erfahren, resümiert Alessandra Colla, die in den vergangenen Monaten überwiegend im Homeoffice gearbeitet hat. „Auch wenn ich recht gut von zu Hause aus arbeiten kann, bin ich von der eingeschränkten Kommunikation mit meinen Kollegen betroffen. Das gilt nicht nur für die Personen aus QUSTEC, sondern vor allem für die aus meiner Gruppe hier in Freiburg. Für mich ist es wichtig, über Physik zu sprechen und zu diskutieren, um effizient arbeiten zu können.“

Kristin Schwarz