Ergotropian erottaminen: vapaa energia sidottu ja käyttö avoimen syklin moottoreissa

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Tanmoy Biswas¹, Marcin Łobejko¹, Paweł Mazurek¹, Konrad Jałowiecki²ja Michał Horodecki¹

¹Kansainvälinen kvantitekniikan teorian keskus, Gdanskin yliopisto, Wita Stwosza 63, 80-308 Gdansk, Puola
²Teoreettisen ja soveltavan tietotekniikan instituutti, Puolan tiedeakatemia, Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Puola

Onko tämä artikkeli mielenkiintoinen vai haluatko keskustella? Scite tai jätä kommentti SciRate.

Abstrakti

Termodynamiikan toinen pääsääntö käyttää makroskooppisten järjestelmien vapaan energian muutosta asettamaan rajan suoritetulle työlle. Ergotropialla on samanlainen rooli mikroskooppisissa skenaarioissa, ja se määritellään enimmäismääräksi energiaa, joka voidaan ottaa järjestelmästä yhtenäisellä toimenpiteellä. Tässä analyysissä määritämme, kuinka paljon ergotropiaa voidaan indusoida järjestelmässä järjestelmän vuorovaikutuksen seurauksena lämpökylvyn kanssa. Tarkoituksena on käyttää sitä mikroskooppisten koneiden työn lähteenä. Tarjoamme perusrajan ergotropian määrälle, joka voidaan saada ympäristöstä tällä tavalla. Raja ilmaistaan epätasapainoisen vapaan energian erona ja voidaan kyllästää järjestelmän Hamiltonin äärettömän ulottuvuuden rajalla. Ergotropian erotusprosessi, joka johtaa tähän kyllästymiseen, analysoidaan numeerisesti äärellisulotteisten järjestelmien osalta. Lisäksi käytämme ajatusta ergotropian poistamisesta ympäristöstä suunnitellessamme uutta iskulämpömoottoriluokkaa, jonka nimeämme avoimen kierron moottoreiksi. Näiden koneiden tehokkuus ja työtuotanto voidaan optimoida täysin mitoiltaan 2 ja 3 oleville järjestelmille ja suuremmille mitoille tarjotaan numeerinen analyysi.

► BibTeX-tiedot

@article{Biswas2022poiminta, doi = {10.22331/q-2022-10-17-841}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2022-10-17-841}, title = {Ergotropian erottaminen: vapaa energia sidottu ja sovellus avoimen syklin moottoreihin}, kirjoittaja = {Biswas, Tanmoy ja {L{}}obejko, Marcin ja Mazurek, Pawe{l{}} ja Ja{l{}}owiecki, Konrad ja Horodecki, Micha{l{}}}, päiväkirja = {{Kvantti}}, issn = {2521-327X}, julkaisija = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, tilavuus = {6}, sivut = {841}, kuukausi = lokakuu, vuosi = {2022} }

► Viitteet

[1] Åberg J. Todella työn kaltainen työn poimiminen yhden laukauksen analyysin avulla. Luontoviestintä. 2013 kesäkuu;4(1):1925. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1038/ncomms2712.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2712

[2] Seifert U. Termodynamiikan ensimmäinen ja toinen pääsääntö vahvassa kytkennässä. Phys Rev Lett. 2016 tammikuu;116:020601. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.020601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.116.020601

[3] Strasberg P, Esposito M. Ei-Markovian ja negatiivisen entropian tuotantonopeudet. Phys Rev E. 2019 tammikuu;99:012120. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.99.012120.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.99.012120

[4] Brandão F, Horodecki M, Ng N, Oppenheim J, Wehner S. Kvanttitermodynamiikan toiset lait. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2015;112(11):3275-9. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1073/pnas.1411728112.
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1411728112

[5] Skrzypczyk P, Short AJ, Popescu S. Työuutto ja termodynamiikka yksittäisille kvanttijärjestelmille. Luontoviestintä. 2014;5(1):4185. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1038/ncomms5185.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5185

[6] Biswas T, Junior AdO, Horodecki M, Korzekwa K. Fluctuation-dissipation suhteet termodynaamisille tislausprosesseille. Phys Rev E. 2022 toukokuu; 105:054127. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.105.054127.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.105.054127

[7] Jarzynski C. Ei-tasa-arvo vapaille energiaeroille. Phys Rev Lett. 1997 huhtikuu;78:2690-3. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.78.2690

[8] Esposito M, Harbola U, Mukamel S. Nonequilibrium fluktuaatiot, fluktuaatiolauseet ja laskentatilastot kvanttijärjestelmissä. Rev Mod Phys. 2009 joulukuu;81:1665-702. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1665.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1665

[9] Campisi M, Hänggi P, Talkner P. Kollokvio: Kvanttivaihtelusuhteet: Perusteet ja sovellukset. Rev Mod Phys. 2011 heinäkuu;83:771-91. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.83.771.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.83.771

[10] Alhambra AM, Masanes L, Oppenheim J, Perry C. Fluctuating Work: From Quantum Thermodynamical Identities to a Second Law Equality. Phys Rev X. 2016 Lokakuu;6:041017. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.6.041017.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.041017

[11] Allahverdyan AE, Balian R, Nieuwenhuizen TM. Maksimaalinen työn erottaminen äärellisistä kvanttijärjestelmistä. Europhysics Letters (EPL). 2004 elokuu;67(4):565-71. Saatavilla:.
https: / / doi.org/ 10.1209 / EPL / i2004-10101-2

[12] Ruch E, Mead A. Sekoitusluonteen lisäämisen periaate ja eräät sen seuraukset. Theoretica chimica acta. 1976 huhtikuu; 41:042110. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1007/BF01178071.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01178071

[13] Alicki R, Fannes M. Kietoutumistehostin kvanttiparistoista erotettavaan työhön. Physical Review E. 2013 huhtikuu;87(4). Saatavilla osoitteesta: http:///doi.org/10.1103/PhysRevE.87.042123.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.87.042123

[14] Binder FC, Vinjanampathy S, Modi K, Goold J. Quantacell: kvanttiakkujen tehokas lataus. Uusi fysiikan lehti. 2015 heinäkuu;17(7):075015. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1088/1367-2630/17/7/075015.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/7/075015

[15] Campaioli F, Pollock FA, Binder FC, Céleri L, Goold J, Vinjanapathy S, et ai. Kvanttiakkujen lataustehon parantaminen. Phys Rev Lett. 2017 huhtikuu;118:150601. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.150601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.150601

[16] Monsel J, Fellous-Asiani M, Huard B, Auffèves A. The Energetic Cost of Work Extraction. Phys Rev Lett. 2020 maaliskuu;124:130601. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.130601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.130601

[17] Hovhannisyan KV, Barra F, Imparato A. Lataus apuna lämpökäsittelyllä. Phys Rev Research. 2020 syyskuu; 2:033413. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.033413.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033413

[18] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Passiivisten tilojen rakenne ja sen merkitys kvanttiakkujen lataamisessa. Phys Rev E. 2020 elokuu;102:022106. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.102.022106.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.102.022106

[19] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Sidottu ergotrooppiseen aukkoon bipartite erotettavissa tiloihin. Phys Rev A. 2019 toukokuu;99:052320. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.052320.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.052320

[20] Puliyil S, Banik M, Alimuddin M. Thermodynamic signatures of Genuinely Multipartite Entanglement. Phys Rev Lett. 2022 elokuu;129:070601. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.070601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.070601

[21] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Työn ja entropian riippumattomuus yhtäenergeettisille äärellisille kvanttijärjestelmille: Passiivisen tilan energia sotkeutumiskvantioijana. Phys Rev E. 2020 heinäkuu;102:012145. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.102.012145.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.102.012145

[22] Francica G, Binder FC, Guarnieri G, Mitchison MT, Goold J, Plastina F. Kvanttikoherenssi ja ergotropia. Phys Rev Lett. 2020 lokakuu; 125:180603. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.180603.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.180603

[23] Sone A, Deffner S. Kvantti ja klassinen ergotropia suhteellisista entropioista. Haje. 2021;23(9). Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.3390/e23091107.
https: / / doi.org/ 10.3390 / e23091107

[24] Pusz W, Woronowicz SL. Passiiviset tilat ja KMS-tilat yleisille kvanttijärjestelmille. Comm Math Phys. 1978;58(3):273-90. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1007/BF01614224.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01614224

[25] Sparaciari C, Jennings D, Oppenheim J. Passiivisten tilojen energeettinen epävakaus termodynamiikassa. Luontoviestintä. 2017 joulukuu;8(1):1895. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1038/s41467-017-01505-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-017-01505-4

[26] Łobejko M, Mazurek P, Horodecki M. Thermodynamics of Minimal Coupling Quantum Heat Engines. Kvantti. 2020 joulukuu;4:375. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375.
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375

[27] Łobejko M. Tiukka toisen lain epätasa-arvo koherenteille kvanttijärjestelmille ja äärelliskokoisille lämpökylpyille. Luontoviestintä. 2021 helmikuu;12(1):918. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4

[28] Scovil HED, Schulz-DuBois EO. Kolmitasoiset Maserit lämpömoottoreina. Phys Rev Lett. 1959 maaliskuu; 2:262-3. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.2.262.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.2.262

[29] Scully MO. Quantum Afterburner: Ihanteellisen lämpömoottorin tehokkuuden parantaminen. Phys Rev Lett. 2002 tammikuu;88:050602. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.050602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.88.050602

[30] Jacobs K. Kvanttimittaus ja termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö: Mittauksen energiakustannus on hankitun tiedon työarvo. Physical Review E. 2012 lokakuu;86(4). Saatavilla osoitteesta: http:///doi.org/10.1103/PhysRevE.86.040106.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.86.040106

[31] Goold J, Huber M, Riera A, Rio Ld, Skrzypczyk P. Kvanttitiedon rooli termodynamiikassa – ajankohtainen katsaus. Journal of Physics A: Matemaattinen ja teoreettinen. 2016 helmikuu;49(14):143001. Saatavilla osoitteesta: http:///doi.org/10.1088/1751-8113/49/14/143001.
https://doi.org/10.1088/1751-8113/49/14/143001

[32] Wilming H, Gallego R, Eisert J. Termodynamiikan toinen pääsääntö ohjausrajoitusten alla. Physical Review E. 2016 huhtikuu;93(4). Saatavilla osoitteesta: http:///doi.org/10.1103/PhysRevE.93.042126.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.93.042126

[33] Perarnau-Llobet M, Wilming H, Riera A, Gallego R, Eisert J. Strong Coupling Corrections in Quantum Thermodynamics. Phys Rev Lett. 2018 maaliskuu;120:120602. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.120602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.120602

[34] Alicki R. Kvanttiavoin järjestelmä lämpömoottorin mallina. Journal of Physics A: Mathematical and General. 1979 toukokuu;12(5):L103-7. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1088/0305-4470/12/5/007.
https://doi.org/10.1088/0305-4470/12/5/007

[35] del Rio L, Åberg J, Renner R, Dahlsten O, Vedral V. Negatiivisen entropian termodynaaminen merkitys. Luonto. 2011 kesäkuu;474(7349):61-3. Saatavilla:.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10123

[36] Horodecki M, Horodecki P, Oppenheim J. Reversiibelit muunnokset puhtaista sekatiloihin ja tiedon ainutlaatuinen mitta. Phys Rev A. 2003 Jun;67:062104. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.67.062104.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.67.062104

[37] Horodecki M, Oppenheim J. Kvantti- ja nanomittakaavan termodynamiikan perusrajoitukset. Luontoviestintä. 2013;4(1):2059. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1038/ncomms3059.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3059

[38] Åberg J. Katalyyttinen koherenssi. Phys Rev Lett. 2014 lokakuu; 113:150402. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.150402.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.113.150402

[39] Ng NHY, Mancinska L, Cirstoiu C, Eisert J, Wehner S. Limits to catalysis in quantum thermodynamics. Uusi fysiikan lehti. 2015 elokuu;17(8):085004. Saatavilla:.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/8/085004

[40] Brunner N, Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. Virtuaalikubitit, virtuaaliset lämpötilat ja termodynamiikan perusteet. Phys Rev E. 2012 toukokuu;85:051117. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.85.051117.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.85.051117

[41] Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. Pienimmät mahdolliset lämpömoottorit. arXiv:10106029. 2010. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.48550/arXiv.1010.6029.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1010.6029
arXiv: 10106029

[42] Monsel J, Elouard C, Auffèves A. Autonominen kvanttikone termodynaamisen ajan nuolen mittaamiseen. npj Quantum Information. 2018 marraskuu; 4:59. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1038/s41534-018-0109-8.
https://doi.org/10.1038/s41534-018-0109-8

[43] Roulet A, Nimmrichter S, Arrazola JM, Seah S, Scarani V. Autonominen roottorin lämpömoottori. Phys Rev E. 2017 Jun;95:062131. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.95.062131.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.95.062131

[44] Kosloff R, Levy A. Quantum Heat Engines and Refrigerators: Continuous Devices. Fysikaalisen kemian vuosikatsaus. 2014;65(1):365-93. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1146/annurev-physchem-040513-103724.
https: / / doi.org/ 10.1146 / annurev-physchem-040513-103724

[45] Niedenzu W, Huber M, Boukobza E. Käsitteet työstä autonomisissa kvanttilämpömoottoreissa. Kvantti. 2019 lokakuu; 3:195. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.22331/q-2019-10-14-195.
https://doi.org/10.22331/q-2019-10-14-195

[46] von Lindenfels D, Gräb O, Schmiegelow CT, Kaushal V, Schulz J, Mitchison MT, et ai. Pyöritä lämpömoottoria, joka on kytketty harmonisen oskillaattorin vauhtipyörään. Phys Rev Lett. 2019 elokuu;123:080602. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.080602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.080602

[47] Singh V. Kolmiportaisen kvanttilämpömoottorin optimaalinen toiminta ja hyötysuhteen yleisluonne. Phys Rev Research. 2020 marraskuu; 2:043187. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.043187.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.043187

[48] Andolina GM, Farina D, Mari A, Pellegrini V, Giovannetti V, Polini M. Laturivälitteinen energiansiirto täsmälleen ratkaistavissa kvanttiakkumalleissa. Phys Rev B. 2018 Marraskuu;98:205423. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.98.205423.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.98.205423

[49] Andolina GM, Keck M, Mari A, Campisi M, Giovannetti V, Polini M. Extractable Work, the Role of Correlations, and Asymptotic Freedom in Quantum Batteries. Phys Rev Lett. 2019 helmikuu;122:047702. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.047702.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.047702

[50] Janzing D, Wocjan P, Zeier R, Geiss R, Beth T. Luotettavuuden ja alhaisten lämpötilojen termodynaamiset kustannukset: Landauerin periaate ja toinen laki. Int J Theor Phys. 2000 joulukuu;39(12):2717-53. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1023/A:1026422630734.
https: / / doi.org/ 10.1023 / A: 1026422630734

[51] Streater RF. Tilastollinen dynamiikka: stokastinen lähestymistapa epätasapainoiseen termodynamiikkaan (2. painos). World Scientific Publishing Company; 2009. Saatavilla osoitteesta: https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ.
https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ

[52] Barra F. Kvanttiakun dissipatiivinen lataus. Physical Review Letters. 2019 toukokuu; 122(21). Saatavilla:.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.210601

[53] Mazurek P, Horodecki M. Lämpöprosessien hajoavuus ja kupera rakenne. Uusi fysiikan lehti. 2018 toukokuu; 20(5):053040. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aac057.
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aac057

[54] Mazurek P. Lämpöprosessit ja tilan saavutettavuus. Phys Rev A. 2019 huhtikuu;99:042110. Saatavilla osoitteesta: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.042110.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.042110

Viitattu

[1] RR Rodriguez, B. Ahmadi, G. Suarez, P. Mazurek, S. Barzanjeh ja P. Horodecki, "Optimal Quantum Control of Charging Quantum Batteries", arXiv: 2207.00094.

Yllä olevat sitaatit ovat peräisin SAO: n ja NASA: n mainokset (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2022-10-17 14:07:51). Lista voi olla puutteellinen, koska kaikki julkaisijat eivät tarjoa sopivia ja täydellisiä viittaustietoja.

Ei voitu noutaa Crossref siteeratut tiedot viimeisen yrityksen aikana 2022-10-17 14:07:49: Ei voitu noutaa viittauksia 10.22331 / q-2022-10-17-841 mainittuihin tietoihin Crossrefiltä. Tämä on normaalia, jos DOI rekisteröitiin äskettäin.

Tämä kirja on julkaistu Quantum - lehdessä Creative Commons Nimeäminen 4.0 Kansainvälinen (CC BY 4.0) lisenssin. Tekijänoikeudet säilyvät alkuperäisillä tekijänoikeuksien haltijoilla, kuten tekijöillä tai heidän instituutioillaan.