1School of Physics, Trinity College Dublin, College Green, Dublin 2, Irland
2Center for komplekse kvantesystemer, Aarhus Universitet, Nordre Ringgade 1, 8000 Aarhus C, Danmark
3Dahlem Center for Complex Quantum Systems, Freie Universitat i Berlin, 14195 Berlin, Tyskland
4School of Physics, University College Dublin, Belfield, Dublin 4, Irland
5Center for Quantum Engineering, Science and Technology, University College Dublin, Belfield, Dublin 4, Irland
6Departamento de Física, Universidad de Murcia, Murcia E-30071, Spanien
Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.
Abstrakt
Vi introducerer en unik klasse af cykliske kvantetermiske maskiner (QTM'er), som kan maksimere deres ydeevne ved den endelige værdi af cyklusvarighed $tau$, hvor de er mest irreversible. Disse QTM'er er baseret på et-takts termodynamiske cyklusser realiseret af ikke-ligevægts steady state (NESS) af den såkaldte Periodically Refreshed Baths (PReB) proces. Vi finder ud af, at sådanne QTM'er kan interpolere mellem standardkollisions-QTM'er, som overvejer gentagne interaktioner med enkeltstedsmiljøer, og autonome QTM'er, der drives ved samtidig kobling til flere makroskopiske bade. Vi diskuterer den fysiske realisering af sådanne processer og viser, at deres implementering kræver et begrænset antal kopier af badene. Interessant nok kommer maksimering af ydeevnen ved at operere i det mest irreversible punkt som en funktion af $tau$ på bekostning af at øge kompleksiteten i at realisere et sådant regime, sidstnævnte kvantificeret ved stigningen i antallet af krævede kopier af bade. Vi demonstrerer denne fysik i betragtning af et simpelt eksempel. Vi introducerer også en elegant beskrivelse af PReB-processen for Gaussiske systemer i form af en diskret-tids Lyapunov-ligning. Yderligere afslører vores analyse også interessante forbindelser med Zeno- og anti-Zeno-effekter.
Udvalgt billede: En simpel, periodisk opdateret kvantetermisk maskine. Den består af to fermioniske steder med hoppende $g$ mellem dem, hver lokalitet har sit eget sæt bade, som kobles en efter en for en tid $tau$ på en cyklisk måde. Her er hvert bad beskrevet af et enkelt dissipativt fermionisk sted. Dissipationen 'opfrisker' hvert bad til dets ligevægtstilstand, før det igen kobles til systemet. Temperaturerne af ligevægtstilstandene for sættet af bade knyttet til de to steder er forskellige (omvendte temperaturer, $beta_1$ og $beta_2$), mens de kemiske potentialer ($mu$) er ens.
Populært resumé
Baseret på mikroskopiske kvantesystemer foreslår vi en ny type termodynamisk cyklus, der kan være mest effektiv, når dissipation er maksimeret som en funktion af cyklus varighed. Som en funktion af cyklus varighed er der derfor ingen afvejning mellem effekt og effektivitet. Vi kalder varmemotorer og køleskabe baseret på denne termodynamiske cyklus "periodisk forfriskede kvantetermiske maskiner." I modsætning til traditionelle termiske maskiner vender systemet ikke tilbage til en ligevægtstilstand ved slutningen af hver cyklus, men snarere til en langt fra ligevægtstilstand. Vi diskuterer, hvordan en sådan proces fysisk kunne realiseres. Karakteren af cyklussen gør systemets dynamik og termodynamik modtagelig for nøjagtig numerisk behandling inden for eksisterende mikroskopiske tilgange til kvantetermodynamik. Især for gaussiske systemer finder vi en elegant beskrivelse i form af en diskret-tids-lyapunov-ligning: en velundersøgt ligning i matematik og teknik, der bruges i hverdagen til kontrol af makroskopiske objekter. "Periodisk forfriskede kvantetermiske maskiner" kombinerer flere koncepter og demonstrerer dybe forbindelser med fysikken i gentagne interaktioner eller kollisionsmodeller, termoelektriske enheder og kvante-Zeno- og anti-Zeno-effekter.
► BibTeX-data
► Referencer
[1] HS Leff og GL Jones, American Journal of Physics 43, 973 (1975).
https:///doi.org/10.1119/1.10032
[2] HS Leff, American Journal of Physics 86, 344 (2018).
https:///doi.org/10.1119/1.5020985
[3] S. Bhattacharjee og A. Dutta, The European Physical Journal B 94, 239 (2021).
https://doi.org/10.1140/epjb/s10051-021-00235-3
[4] NM Myers, O. Abah og S. Deffner, (2022), arXiv:2201.01740 [quant-ph].
https:///doi.org/10.1119/1.10032
arXiv: 2201.01740
[5] A. Purkayastha, G. Guarnieri, S. Campbell, J. Prior og J. Goold, Phys. Rev. B 104, 045417 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.104.045417
[6] H.-P. Breuer og F. Petruccione, The Theory of Open Quantum Systems (Oxford University Press, Oxford, 2007).
https:///doi.org/10.1093/acprof:oso/9780199213900.001.0001
[7] H. Haug og A.-P. Jauho, Quantum Kinetics in Transport and Optics of Semiconductors (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-73564-9
[8] A. Kamenev, Field Theory of Non-Equilibrium Systems (Cambridge University Press, Cambridge, 2011).
https:///doi.org/10.1017/CBO9781139003667
[9] J. Rau, Phys. Rev. 129, 1880 (1963).
https:///doi.org/10.1103/PhysRev.129.1880
[10] S. Campbell og B. Vacchini, EPL (Europhysics Letters) 133, 60001 (2021).
https://doi.org/10.1209/0295-5075/133/60001
[11] F. Ciccarello, S. Lorenzo, V. Giovannetti og GM Palma, Physics Reports 954, 1 (2022).
https:///doi.org/10.1016/j.physrep.2022.01.001
[12] M. Cattaneo, G. De Chiara, S. Maniscalco, R. Zambrini og GL Giorgi, Phys. Rev. Lett. 126, 130403 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.130403
[13] P. Strasberg, G. Schaller, T. Brandes og M. Esposito, Phys. Rev. X 7, 021003 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.7.021003
[14] P. Strasberg, Phys. Rev. Lett. 123, 180604 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.180604
[15] GD Chiara, G. Landi, A. Hewgill, B. Reid, A. Ferraro, AJ Roncaglia og M. Antezza, New Journal of Physics 20, 113024 (2018).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/aaecee
[16] G. Guarnieri, D. Morrone, B. Çakmak, F. Plastina og S. Campbell, Physics Letters A 384, 126576 (2020).
https:///doi.org/10.1016/j.physleta.2020.126576
[17] F. Barra, Sci. Rep. 5, 14873 (2015).
https:///doi.org/10.1038/srep14873
[18] MT Mitchison, Contemporary Physics 60, 164 (2019).
https:///doi.org/10.1080/00107514.2019.1631555
[19] G. Benenti, G. Casati, K. Saito og RS Whitney, Physics Reports 694, 1 (2017).
https:///doi.org/10.1016/j.physrep.2017.05.008
[20] Z. Gajić og MTJ Qureshi, Lyapunov matrixligning i systemstabilitet og kontrol (Academic Press, Inc. San Diego, Californien, 1995).
[21] J. Sun og J. Yong, Stokastisk lineær-kvadratisk optimal kontrolteori: Løsninger med åben kreds og lukket kredsløb (Springer Nature, Schweiz, 2020).
https://doi.org/10.1007/978-3-030-20922-3
[22] R. Dann og R. Kosloff, Quantum 5, 590 (2021a).
https://doi.org/10.22331/q-2021-11-25-590
[23] R. Dann og R. Kosloff, Phys. Rev. Research 3, 023006 (2021b).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.023006
[24] M. Esposito, MA Ochoa, og M. Galperin, Phys. Rev. Lett. 114, 080602 (2015a).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.080602
[25] M. Esposito, MA Ochoa, og M. Galperin, Phys. Rev. B 92, 235440 (2015b).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.92.235440
[26] D. Newman, F. Mintert og A. Nazir, Phys. Rev. E 95, 032139 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.95.032139
[27] S. Restrepo, J. Cerrillo, P. Strasberg og G. Schaller, New Journal of Physics 20, 053063 (2018).
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aac583
[28] M. Perarnau-Llobet, H. Wilming, A. Riera, R. Gallego og J. Eisert, Phys. Rev. Lett. 120, 120602 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.120602
[29] G. Schaller, J. Cerrillo, G. Engelhardt og P. Strasberg, Phys. Rev. B 97, 195104 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.97.195104
[30] N. Pancotti, M. Scandi, MT Mitchison og M. Perarnau-Llobet, Phys. Rev. X 10, 031015 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.10.031015
[31] M. Carrega, LM Cangemi, G. De Filippis, V. Cataudella, G. Benenti og M. Sassetti, PRX Quantum 3, 010323 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.010323
[32] B. Misra og ECG Sudarshan, Journal of Mathematical Physics 18, 756 (1977).
https:///doi.org/10.1063/1.523304
[33] AG Kofman og G. Kurizki, Nature 405, 546 (2000).
https:///doi.org/10.1038/35014537
[34] AG Kofman og G. Kurizki, Phys. Rev. Lett. 87, 270405 (2001).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.270405
[35] AG Kofman og G. Kurizki, Phys. Rev. Lett. 93, 130406 (2004).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.130406
[36] N. Erez, G. Gordon, M. Nest og G. Kurizki, Nature 452, 724 (2008).
https:///doi.org/10.1038/nature06873
[37] GA Álvarez, DDB Rao, L. Frydman og G. Kurizki, Phys. Rev. Lett. 105, 160401 (2010).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.160401
[38] DD Bhaktavatsala Rao og G. Kurizki, Phys. Rev. A 83, 032105 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.83.032105
[39] V. Mukherjee, AG Kofman og G. Kurizki, Communications Physics 3, 8 (2020).
https:///doi.org/10.1038/s42005-019-0272-z
[40] A. Das og V. Mukherjee, Phys. Rev. Research 2, 033083 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.033083
[41] A. Aufféves, (2021), arXiv:2111.09241 [quant-ph].
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.020101
arXiv: 2111.09241
[42] J. Prior, AW Chin, SF Huelga og MB Plenio, Phys. Rev. Lett. 105, 050404 (2010).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.050404
[43] AW Chin, A. Rivas, SF Huelga og MB Plenio, Journal of Mathematical Physics 51, 092109 (2010).
https:///doi.org/10.1063/1.3490188
[44] A. Garg, JN Onuchic og V. Ambegaokar, The Journal of Chemical Physics 83, 4491 (1985).
https:///doi.org/10.1063/1.449017
[45] A. Nazir og G. Schaller, "The Reaction Coordinate Mapping in Quantum Thermodynamics," i Thermodynamics in the Quantum Regime: Fundamental Aspects and New Directions, Vol. 195, redigeret af F. Binder, LA Correa, C. Gogolin, J. Anders og G. Adesso (2018) s. 551.
https://doi.org/10.1007/978-3-319-99046-0_23
[46] I. de Vega, U. Schollwöck og FA Wolf, Phys. Rev. B 92, 155126 (2015).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.92.155126
[47] P. Strasberg, G. Schaller, TL Schmidt og M. Esposito, Phys. Rev. B 97, 205405 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.97.205405
[48] MP Woods, M. Cramer og MB Plenio, Phys. Rev. Lett. 115, 130401 (2015).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.130401
[49] MP Woods og MB Plenio, Journal of Mathematical Physics 57, 022105 (2016).
https:///doi.org/10.1063/1.4940436
[50] N. Shiraishi og H. Tajima, Phys. Rev. E 96, 022138 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.96.022138
[51] M. Esposito, K. Lindenberg og CV den Broeck, New Journal of Physics 12, 013013 (2010).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/12/1/013013
[52] D. Reeb og MM Wolf, New Journal of Physics 16, 103011 (2014).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/10/103011
[53] GT Landi og M. Paternostro, Rev. Mod. Phys. 93, 035008 (2021).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.93.035008
[54] P. Strasberg og A. Winter, PRX Quantum 2, 030202 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.030202
[55] A. Dhar og D. Sen, Phys. Rev. B 73, 085119 (2006).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.73.085119
[56] A. Dhar, K. Saito og P. Hänggi, Phys. Rev. E 85, 011126 (2012).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.85.011126
[57] D. Grimmer, E. Brown, A. Kempf, RB Mann og E. Martín-Martínez, Phys. Rev. A 97, 052120 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.97.052120
[58] RR Camasca og GT Landi, Phys. Rev. A 103, 022202 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.103.022202
[59] H. Leitch, N. Piccione, B. Bellomo og GD Chiara, (2021), arXiv:2108.11341 [quant-ph].
https:///doi.org/10.1116/5.0072067
arXiv: 2108.11341
[60] FL Curzon og B. Ahlborn, American Journal of Physics 43, 22 (1975).
https:///doi.org/10.1119/1.10023
[61] P. Strasberg, MG Díaz og A. Riera-Campeny, Phys. Rev. E 104, L022103 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.104.L022103
[62] A. Purkayastha, (2022), arXiv:2201.00677 [quant-ph].
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.105.062204
arXiv: 2201.00677
[63] P. Pietzonka og U. Seifert, Phys. Rev. Lett. 120, 190602 (2018).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.190602
[64] G. Guarnieri, GT Landi, SR Clark og J. Goold, Phys. Rev. Research 1, 033021 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.1.033021
[65] AM Timpanaro, G. Guarnieri, J. Goold og GT Landi, Phys. Rev. Lett. 123, 090604 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.090604
[66] N. Van Horne, D. Yum, T. Dutta, P. Hänggi, J. Gong, D. Poletti og M. Mukherjee, npj Quantum Information 6, 37 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41534-020-0264-6
[67] G. Watanabe, BP Venkatesh, P. Talkner, M.-J. Hwang og A. del Campo, Phys. Rev. Lett. 124, 210603 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.210603
[68] F. Barra, Phys. Rev. Lett. 122, 210601 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.210601
[69] KV Hovhannisyan, F. Barra og A. Imparato, Phys. Rev. Research 2, 033413 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.033413
[70] MT Mitchison, J. Goold og J. Prior, Quantum 5, 500 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-07-13-500
[71] P. Taranto, F. Bakhshinezhad, P. Schüttelkopf, F. Clivaz og M. Huber, Phys. Rev. Anvendt 14, 054005 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.054005
[72] M.-C. Chung og I. Peschel, Phys. Rev. B 64, 064412 (2001).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.64.064412
[73] V. Eisler og I. Peschel, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 50, 284003 (2017).
https://doi.org/10.1088/1751-8121/aa76b5
Citeret af
[1] Fernando S. Filho, Bruno AN Akasaki, Carlos E. Fernadéz Noa, Bart Cleuren og Carlos E. Fiore, "Thermodynamics and efficiency of sequentially collisional brownian particles: The role of drivings", arXiv: 2206.05819.
[2] Felipe Barra, "Effektivitetsfluktuationer i et kvantebatteri opladet af en gentagen interaktionsproces", Entropy 24 6, 820 (2022).
Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2022-09-09 02:42:37). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.
On Crossrefs citeret af tjeneste ingen data om at citere værker blev fundet (sidste forsøg 2022-09-09 02:42:35).
Dette papir er udgivet i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Ophavsretten forbliver hos de originale copyright-indehavere, såsom forfatterne eller deres institutioner.
