Elméleti Fizikai és Asztrofizikai Intézet, Matematikai, Fizikai és Informatikai Kar, Gdański Egyetem, 80-308 Gdansk, Lengyelország
Nemzetközi Kvantumtechnológiák Elméleti Központ, Gdański Egyetem, 80-308 Gdańsk, Lengyelország
Érdekesnek találja ezt a cikket, vagy szeretne megvitatni? Scite vagy hagyjon megjegyzést a SciRate-en.
Absztrakt
We consider a quasi-probability distribution of work for an isolated quantum system coupled to the energy-storage device given by the ideal weight. Specifically, we analyze a trade-off between changes in average energy and changes in weight’s variance, where work is extracted from the coherent and incoherent ergotropy of the system. Primarily, we reveal that the extraction of positive coherent ergotropy can be accompanied by the reduction of work fluctuations (quantified by a variance loss) by utilizing the non-classical states of a work reservoir. On the other hand, we derive a fluctuation-decoherence relation for a quantum weight, defining a lower bound of its energy dispersion via a dumping function of the coherent contribution to the system’s ergotropy. Specifically, it reveals that unlocking ergotropy from coherences results in high fluctuations, which diverge when the total coherent energy is unlocked. The proposed autonomous protocol of work extraction shows a significant difference between extracting coherent and incoherent ergotropy: The former can decrease the variance, but its absolute value diverges if more and more energy is extracted, whereas for the latter, the gain is always non-negative, but a total (incoherent) ergotropy can be extracted with finite work fluctuations. Furthermore, we present the framework in terms of the introduced quasi-probability distribution, which has a physical interpretation of its cumulants, is free from the invasive nature of measurements, and reduces to the two-point measurement scheme (TPM) for incoherent states. Finally, we analytically solve the work-variance trade-off for a qubit, explicitly revealing all the above quantum and classical regimes.
► BibTeX adatok
► Referenciák
[1] Bochkov GN, Kuzovle YE. Nemlineáris rendszerek hőingadozásainak általános elmélete. Sov Phys JETP. 1977;45:125.
[2] Jarzynski C. Nem egyensúlyi egyenlőség a szabad energiakülönbségekért. Phys Rev Lett. 1997 Apr;78:2690–2693. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690
[3] Crooks GE. Entrópiatermelés ingadozási tétele és a nemegyensúlyi munkareláció szabadenergia-különbségekre. Phys Rev E. 1999 Sep;60:2721–2726. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.60.2721.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.60.2721
[4] Esposito M, Harbola U, Mukamel S. Nonequilibrium fluktuációk, fluktuációs tételek és számolási statisztika kvantumrendszerekben. Rev Mod Phys. 2009. december;81:1665–1702. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1665.
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1665
[5] Campisi M, Hänggi P, Talkner P. Kollokvium: Kvantum fluktuációs relációk: Alapok és alkalmazások. Rev Mod Phys. 2011 július;83:771–791. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.83.771.
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.83.771
[6] Talkner P, Lutz E, Hänggi P. Fluktuációs tételek: A munka nem megfigyelhető. Phys Rev E. 2007 május;75:050102. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.75.050102.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.75.050102
[7] Jarzynski C, Wójcik DK. Klasszikus és kvantumfluktuációs tételek a hőcseréhez. Phys Rev Lett. 2004 június; 92:230602. Elérhető: 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. szept.;107:140404. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.140404.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.140404
[9] Manzano G, Horowitz JM, Parrondo JMR. Kvantumfluktuációs tételek önkényes környezetekhez: Adiabatikus és nemnadiabatikus entrópiatermelés. Phys Rev X. 2018 Aug;8:031037. Elérhető: 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. Általánosított energiamérés és kvantummunka kompatibilis a fluktuációs tételekkel. Phys Rev A. 2019. márc.;99:032117. Elérhető: 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. Munkabecslés és munkaingadozások nem ideális mérések jelenlétében. Új Fizikai folyóirat. 2019 nov;21(11):113002. Elérhető: https:///doi.org/10.1088/1367-2630/ab4d9d.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab4d9d
[12] Micadei K, Landi GT, Lutz E. Kvantumfluktuációs tételek a kétpontos méréseken túl. Phys Rev Lett. 2020. márc.;124:090602. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.090602.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.090602
[13] Yukawa S. A Jarzynski-egyenlőség kvantumanalógja. A Japán Fizikai Társaság folyóirata. 2000;69(8):2367–2370. Elérhető: https:///doi.org/10.1143/JPSJ.69.2367.
https:///doi.org/10.1143/JPSJ.69.2367
[14] Allahverdyan AE, Nieuwenhuizen TM. A munka második törvénye és fluktuációi: A kvantumfluktuáció-tételek ellen. arXiv; 2004. Elérhető: 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 Theorem for the Characterization of Work Fluctuations in Coherent Quantum Systems. Phys Rev Lett. 2017. február;118:070601. Elérhető: 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. In: Binder F, Correa LA, Gogolin C, Anders J, Adesso G, szerkesztők. Ingadozó munka koherens kvantumrendszerekben: javaslatok és korlátok. Cham: Springer International Publishing; 2018. p. 275–300. Elérhető: 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. A munka nem egyensúlyi kvantum fluktuációi. Phys Rev E. 2014 Sep;90:032137. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.90.032137.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.90.032137
[18] Solinas P, Gasparinetti S. A kvantumrendszeren végzett munka teljes eloszlása tetszőleges kezdeti állapotokra. Phys Rev E. 2015. okt.;92:042150. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.92.042150.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.92.042150
[19] Solinas P, Gasparinetti S. Kvantum interferencia hatások vizsgálata a munkaelosztásban. Phys Rev A. 2016 Nov;94:052103. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.94.052103.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.94.052103
[20] Miller HJD, Anders J. Idő-visszafordítási szimmetrikus munkaeloszlások zárt kvantumdinamikához a történeti keretrendszerben. Új Fizikai folyóirat. 2017 jún;19(6):062001. Elérhető: https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aa703f.
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aa703f
[21] Lostaglio M. Kvantumfluktuációs tételek, kontextualitás és munkakvázivalószínűség. Phys Rev Lett. 2018. január;120:040602. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.040602.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.040602
[22] Levy A, Lostaglio M. Quasiprobability Distribution for Heat Fluctuations in the Quantum Regime. PRX Quantum. 2020. szept.;1:010309. Elérhető: 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. The extraction of work from quantum coherence. Új Fizikai folyóirat. 2016 febr.18(2):023045. Elérhető: https:///doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023045.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/2/023045
[24] Łobejko M. A szoros második törvény egyenlőtlensége koherens kvantumrendszerekre és véges méretű hőfürdőkre. Nature Communications. 2021. február;12(1):918. Elérhető: https:///doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4
[25] Åberg J. Teljesen kvantumfluktuációs tételek. Phys Rev X. 2018 Feb;8:011019. Elérhető: 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. Fluctuating Work: From Quantum Thermodynamical Identities to a Second Law Equality. Phys Rev X. 2016 Oct;6:041017. Elérhető: 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. Virtuális qubitek, virtuális hőmérsékletek és a termodinamika alapjai. Phys Rev E. 2012 május;85:051117. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.85.051117.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.85.051117
[28] Skrzypczyk P, Short AJ, Popescu S. Munkakivonás és termodinamika egyéni kvantumrendszerekhez. Nature Communications. 2014;5(1):4185. Elérhető: https:///doi.org/10.1038/ncomms5185.
https:///doi.org/10.1038/ncomms5185
[29] Lipka-Bartosik P, Mazurek P, Horodecki M. A termodinamika második főtétele vákuum állapotú akkumulátoroknál. Kvantum. 2021. márc.;5:408. Elérhető: 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. Thermodynamics of Minimal Coupling Quantum Heat Engines. Kvantum. 2020. december; 4:375. Elérhető: 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. Passzív állapotok és KMS állapotok általános kvantumrendszerekhez. Comm Math Phys. 1978;58(3):273–290. Elérhető: https:///projecteuclid.org:443/euclid.cmp/1103901491.
https:///projecteuclid.org:443/euclid.cmp/1103901491
[32] Allahverdyan AE, Balian R, Nieuwenhuizen TM. Maximális munkakivonás véges kvantumrendszerekből. Europhysics Letters (EPL). 2004 aug;67(4):565–571. Elérhető: 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. Legenergiásabb passzív állapotok. Phys Rev E. 2015 Oct;92:042147. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.92.042147.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.92.042147
[34] Horodecki M, Oppenheim J. A kvantum- és nanoméretű termodinamika alapvető korlátai. Nature Communications. 2013;4(1):2059. Elérhető: https:///doi.org/10.1038/ncomms3059.
https:///doi.org/10.1038/ncomms3059
[35] Streltsov A, Adesso G, Plenio MB. Kollokvium: A kvantumkoherencia mint erőforrás. Rev Mod Phys. 2017. okt.;89:041003. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.89.041003.
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.89.041003
[36] Hudson RL. Mikor nem negatív a wigner-kvázi valószínűségi sűrűség? Beszámolók a matematikai fizikáról. 1974;6(2):249–252. Elérhető: https:///www.sciencedirect.com/science/article/pii/003448777490007X.
https:///www.sciencedirect.com/science/article/pii/003448777490007X
[37] Lostaglio M, Jennings D, Rudolph T. A termodinamikai folyamatok kvantumkoherenciájának leírása a szabad energián túlmenő korlátokat igényel. Nature Communications. 2015. márc.;6(1):6383. Elérhető: https:///doi.org/10.1038/ncomms7383.
https:///doi.org/10.1038/ncomms7383
[38] Lostaglio M, Korzekwa K, Jennings D, Rudolph T. Quantum Coherence, Time-Translation Symmetry and Thermodynamics. Phys Rev X. 2015 Apr;5:021001. Elérhető: 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 Koherence and Ergotropy. Phys Rev Lett. 2020. október;125:180603. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.180603.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.180603
[40] Ushakov NG. Alsó és felső határértékek a jellemző funkciókhoz. Matematikai Tudományok Lapja. 1997 Apr;84(3):1179–1189. Elérhető: https:///doi.org/10.1007/BF02398431.
https:///doi.org/10.1007/BF02398431
[41] Rudnicki L, Tasca DS, Walborn SP. Jellemző függvények bizonytalansági relációi. Phys Rev A. 2016 Feb;93:022109. Elérhető: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.93.022109.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.93.022109
Idézi
Ez a tanulmány a Quantumban jelent meg Creative Commons Nevezd meg 4.0 International (CC BY 4.0) engedély. A szerzői jog az eredeti szerzői jog tulajdonosainál marad, például a szerzőknél vagy intézményeiknél.
