Institut for Teoretisk Fysik og Astrofysik, Fakultetet for Matematik, Fysik og Informatik, Universitetet i Gdańsk, 80-308 Gdansk, Polen
International Center for Theory of Quantum Technologies, Gdańsk Universitet, 80-308 Gdańsk, Polen
Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.
Abstrakt
Vi betragter en kvasi-sandsynlighedsfordeling af arbejde for et isoleret kvantesystem koblet til energilagringsenheden givet af idealvægten. Konkret analyserer vi en afvejning mellem ændringer i gennemsnitsenergi og ændringer i vægtens varians, hvor arbejdet udvindes fra systemets sammenhængende og usammenhængende ergotropi. Primært afslører vi, at udvindingen af positiv sammenhængende ergotropi kan ledsages af reduktion af arbejdsudsving (kvantificeret ved et varianstab) ved at udnytte de ikke-klassiske tilstande i et arbejdsreservoir. På den anden side udleder vi en fluktuations-dekohærens relation for en kvantevægt, der definerer en nedre grænse for dens energispredning via en dumpefunktion af det kohærente bidrag til systemets ergotropi. Specifikt afslører det, at oplåsning af ergotropi fra kohærenser resulterer i høje udsving, som divergerer, når den samlede sammenhængende energi låses op. Den foreslåede autonome protokol for arbejdsudvinding viser en signifikant forskel mellem at udvinde kohærent og usammenhængende ergotropi: Førstnævnte kan mindske variansen, men dens absolutte værdi divergerer, hvis mere og mere energi udvindes, hvorimod forstærkningen for sidstnævnte altid er ikke-negativ , men en total (usammenhængende) ergotropi kan udvindes med endelige arbejdsudsving. Desuden præsenterer vi rammen i form af den introducerede kvasi-sandsynlighedsfordeling, som har en fysisk fortolkning af dens kumulanter, er fri for den invasive karakter af målinger og reducerer til to-punkts måleskemaet (TPM) for inkohærente tilstande. Endelig løser vi analytisk arbejdsvarians-afvejningen for en qubit, og afslører eksplicit alle ovenstående kvante- og klassiske regimer.
► BibTeX-data
► Referencer
[1] Bochkov GN, Kuzovle YE. Generel teori om termiske fluktuationer i ikke-lineære systemer. Sov Phys JETP. 1977; 45:125.
[2] Jarzynski C. Nonebalance Equality for Free Energy Differences. Phys Rev Lett. 1997 Apr;78:2690-2693. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690
[3] Crooks GE. Entropiproduktionsfluktuationssætning og uligevægtsarbejdsrelationen for fri energiforskelle. Phys Rev E. 1999 Sep;60:2721-2726. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.60.2721.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.60.2721
[4] Esposito M, Harbola U, Mukamel S. Ikke-ligevægtsfluktuationer, fluktuationssætninger og tællestatistikker i kvantesystemer. Rev Mod Phys. 2009 Dec;81:1665-1702. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1665.
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1665
[5] Campisi M, Hänggi P, Talkner P. Kollokvium: Kvanteudsvingsforhold: Fundamenter og applikationer. Rev Mod Phys. 2011 jul;83:771-791. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.83.771.
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.83.771
[6] Talkner P, Lutz E, Hänggi P. Fluktuationssætninger: Arbejde er ikke en observerbar. Phys Rev E. 2007 maj;75:050102. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.75.050102.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.75.050102
[7] Jarzynski C, Wójcik DK. Klassiske og kvanteudsvingssætninger for varmeveksling. Phys Rev Lett. 2004 Jun;92:230602. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.230602.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.230602
[8] Deffner S, Lutz E. Nonequilibrium Entropy Production for Open Quantum Systems. Phys Rev Lett. 2011 sep;107:140404. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.140404.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.140404
[9] Manzano G, Horowitz JM, Parrondo JMR. Kvanteudsvingssætninger for vilkårlige miljøer: adiabatisk og ikke-diabatisk entropiproduktion. Phys Rev X. 2018 Aug;8:031037. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.8.031037.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.8.031037
[10] Ito K, Talkner P, Venkatesh BP, Watanabe G. Generaliserede energimålinger og kvantearbejde kompatibelt med fluktuationssætninger. Phys Rev A. 2019 Mar;99:032117. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.032117.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.032117
[11] Debarba T, Manzano G, Guryanova Y, Huber M, Friis N. Arbejdsvurdering og arbejdsudsving i nærværelse af ikke-ideelle målinger. New Journal of Physics. 2019 nov;21(11):113002. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab4d9d.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab4d9d
[12] Micadei K, Landi GT, Lutz E. Kvanteudsvingssætninger ud over topunktsmålinger. Phys Rev Lett. 2020 Mar;124:090602. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.090602.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.090602
[13] Yukawa S. En kvanteanalog af Jarzynski-ligheden. Journal of the Physical Society of Japan. 2000;69(8):2367-2370. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1143/JPSJ.69.2367.
https:///doi.org/10.1143/JPSJ.69.2367
[14] Allahverdyan AE, Nieuwenhuizen TM. Den anden lov og arbejdets fluktuationer: Sagen mod kvanteudsvingssætninger. arXiv; 2004. Tilgængelig fra: https:///arxiv.org/abs/cond-mat/0408697.
https:///arxiv.org/abs/cond-mat/0408697
[15] Perarnau-Llobet M, Bäumer E, Hovhannisyan KV, Huber M, Acin A. No-Go-sætning til karakterisering af arbejdsfluktuationer i sammenhængende kvantesystemer. Phys Rev Lett. 2017 feb;118:070601. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.070601.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.070601
[16] Bäumer E, Lostaglio M, Perarnau-Llobet M, Sampaio R. I: Binder F, Correa LA, Gogolin C, Anders J, Adesso G, redaktører. Fluktuerende arbejde i sammenhængende kvantesystemer: forslag og begrænsninger. Cham: Springer International Publishing; 2018. s. 275-300. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1007/978-3-319-99046-0_11.
https://doi.org/10.1007/978-3-319-99046-0_11
[17] Allahverdyan AE. Ikke-ligevægts kvanteudsving i arbejdet. Phys Rev E. 2014 Sep;90:032137. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.90.032137.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.90.032137
[18] Solinas P, Gasparinetti S. Fuld fordeling af arbejde udført på et kvantesystem for vilkårlige begyndelsestilstande. Phys Rev E. 2015 Okt;92:042150. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.92.042150.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.92.042150
[19] Solinas P, Gasparinetti S. Undersøgelse af kvanteinterferenseffekter i arbejdsfordelingen. Phys Rev A. 2016 Nov;94:052103. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.94.052103.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.94.052103
[20] Miller HJD, Anders J. Tidsvendende symmetriske arbejdsfordelinger for lukket kvantedynamik i historierammen. New Journal of Physics. 2017 jun;19(6):062001. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1088/1367-2630/aa703f.
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aa703f
[21] Lostaglio M. Kvanteudsvingssætninger, kontekstualitet og arbejdskvasisandsynligheder. Phys Rev Lett. 2018 Jan;120:040602. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.040602.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.040602
[22] Levy A, Lostaglio M. Kvasisandsynlighedsfordeling for varmesvingninger i kvanteregimet. PRX Quantum. 2020 sep; 1:010309. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.1.010309.
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.1.010309
[23] Korzekwa K, Lostaglio M, Oppenheim J, Jennings D. Udvindingen af arbejde fra kvantekohærens. New Journal of Physics. 2016 feb;18(2):023045. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023045.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023045
[24] Łobejko M. Den stramme Anden Lov-ulighed for sammenhængende kvantesystemer og varmebade i endelig størrelse. Naturkommunikation. 2021 Feb;12(1):918. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4
[25] Åberg J. Fuldstændig kvanteudsvingssætninger. Phys Rev X. Feb 2018; 8:011019. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.011019.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.8.011019
[26] Alhambra AM, Masanes L, Oppenheim J, Perry C. Fluktuerende arbejde: Fra kvantetermodynamiske identiteter til en anden lovlighed. Phys Rev X. 2016 okt;6:041017. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.6.041017.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.6.041017
[27] Brunner N, Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. Virtuelle qubits, virtuelle temperaturer og grundlaget for termodynamik. Phys Rev E. 2012 maj;85:051117. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.85.051117.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.85.051117
[28] Skrzypczyk P, Short AJ, Popescu S. Arbejdsekstraktion og termodynamik for individuelle kvantesystemer. Naturkommunikation. 2014;5(1):4185. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1038/ncomms5185.
https:///doi.org/10.1038/ncomms5185
[29] Lipka-Bartosik P, Mazurek P, Horodecki M. Termodynamikkens anden lov for batterier med vakuumtilstand. Kvante. 2021 Mar; 5:408. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.22331/q-2021-03-10-408.
https://doi.org/10.22331/q-2021-03-10-408
[30] Łobejko M, Mazurek P, Horodecki M. Termodynamik af Minimal Coupling Quantum Heat Engines. Kvante. Dec 2020; 4:375. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375.
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375
[31] Pusz W, Woronowicz SL. Passive tilstande og KMS-tilstande for generelle kvantesystemer. Comm Math Phys. 1978;58(3):273-290. Tilgængelig fra: https://projecteuclid.org:443/euclid.cmp/1103901491.
https:///projecteuclid.org:443/euclid.cmp/1103901491
[32] Allahverdyan AE, Balian R, Nieuwenhuizen TM. Maksimal arbejdsudvinding fra endelige kvantesystemer. Europhysics Letters (EPL). 2004 aug;67(4):565-571. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1209/epl/i2004-10101-2.
https://doi.org/10.1209/epl/i2004-10101-2
[33] Perarnau-Llobet M, Hovhannisyan KV, Huber M, Skrzypczyk P, Tura J, Acín A. De fleste energiske passive tilstande. Phys Rev E. 2015 Okt;92:042147. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.92.042147.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.92.042147
[34] Horodecki M, Oppenheim J. Fundamentale begrænsninger for kvante- og nanoskala termodynamik. Naturkommunikation. 2013;4(1):2059. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1038/ncomms3059.
https:///doi.org/10.1038/ncomms3059
[35] Streltsov A, Adesso G, Plenio MB. Kollokvium: Kvantesammenhæng som ressource. Rev Mod Phys. 2017 oktober;89:041003. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.89.041003.
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.89.041003
[36] Hudson RL. Hvornår er wigner-kvasi-sandsynlighedstætheden ikke-negativ? Rapporter om matematisk fysik. 1974;6(2):249-252. Tilgængelig fra: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/003448777490007X.
https:///www.sciencedirect.com/science/article/pii/003448777490007X
[37] Lostaglio M, Jennings D, Rudolph T. Beskrivelse af kvantekohærens i termodynamiske processer kræver begrænsninger ud over fri energi. Naturkommunikation. Marts 2015; 6(1):6383. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1038/ncomms7383.
https:///doi.org/10.1038/ncomms7383
[38] Lostaglio M, Korzekwa K, Jennings D, Rudolph T. Kvantekohærens, tidsoversættelsessymmetri og termodynamik. Phys Rev X. 2015 Apr;5:021001. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.5.021001.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.5.021001
[39] Francica G, Binder FC, Guarnieri G, Mitchison MT, Goold J, Plastina F. Quantum Coherence and Ergotropy. Phys Rev Lett. 2020 oktober;125:180603. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.180603.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.180603
[40] Ushakov NG. Nedre og øvre grænser for karakteristiske funktioner. Tidsskrift for matematiske videnskaber. 1997 Apr;84(3):1179-1189. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1007/BF02398431.
https:///doi.org/10.1007/BF02398431
[41] Rudnicki L, Tasca DS, Walborn SP. Usikkerhedsrelationer for karakteristiske funktioner. Phys Rev A. 2016 Feb;93:022109. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.93.022109.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.93.022109
Citeret af
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.
