Kwantumthermodynamica is het vakgebied dat onderzoekt hoe de wetten van de kwantummechanica thermodynamische systemen beïnvloeden. Deze systemen kunnen extreem kleinschalig zijn, zoals materialen van nanometerformaat of zelfs afzonderlijke deeltjes. In de kwantumthermodynamica verschillen de concepten van energie, temperatuur en entropie van hun klassieke tegenhangers.

Een van de kernprincipes van de kwantumthermodynamica is de kwantisering van energie. Dit betekent dat energie alleen in specifieke discrete hoeveelheden kan bestaan, in plaats van continue waarden aan te nemen. De energie van een kwantumsysteem kan worden beschreven met behulp van het concept van kwantumtoestanden en energieniveaus.

Temperatuur is in de kwantumthermodynamica gerelateerd aan de gemiddelde energie van de componenten van een kwantumsysteem. Kwantumfluctuaties kunnen echter aanleiding geven tot afwijkingen van dit gemiddelde gedrag.

Entropie in de kwantumthermodynamica omvat bijdragen van zowel klassieke als kwantumbronnen. Het karakteriseert de wanorde of onzekerheid in een kwantumsysteem en is gekoppeld aan de kwantumtoestanden ervan en de onderliggende microscopische processen.

Kwantumthermodynamica biedt inzichten die niet toegankelijk zijn via de klassieke thermodynamica. Het kan bijvoorbeeld helpen het gedrag van apparaten op nanoschaal te voorspellen, faseovergangen in kwantumsystemen te begrijpen en bij te dragen aan de studie van kwantuminformatieverwerking en kwantumcomputers. Het heeft toepassingen op verschillende gebieden, waaronder de fysica van de gecondenseerde materie, materiaalkunde, kwantumtechniek en opkomende technologieën.

Door de principes van de kwantummechanica en de thermodynamica te combineren, stelt de kwantumthermodynamica ons in staat het gedrag van materie op kwantumschaal te verkennen en te begrijpen, waardoor ons perspectief op de fundamentele wetten die het universum beheersen, wordt verbreed.