Ekstraksi Ergotropi: Energi Gratis Terikat Dan Aplikasi Untuk Membuka Mesin Siklus

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Tanmoy Biswa¹, Marcin obejko¹, Paweł Mazurek¹, Konrad Jałowiecki², dan Michał Horodecki¹

¹Pusat Internasional untuk Teori Teknologi Quantum, Universitas Gdansk, Wita Stwosza 63, 80-308 Gdansk, Polandia
²Institute of Theoretical and Applied Informatics, Polish Academy of Sciences, Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Polandia

Apakah makalah ini menarik atau ingin dibahas? Scite atau tinggalkan komentar di SciRate.

Abstrak

Hukum kedua termodinamika menggunakan perubahan energi bebas dari sistem makroskopik untuk menetapkan batas pada pekerjaan yang dilakukan. Ergotropi memainkan peran serupa dalam skenario mikroskopis, dan didefinisikan sebagai jumlah maksimum energi yang dapat diekstraksi dari suatu sistem dengan operasi kesatuan. Dalam analisis ini, kami menghitung seberapa banyak ergotropi dapat diinduksi pada sistem sebagai hasil interaksi sistem dengan penangas termal, dengan perspektif menggunakannya sebagai sumber kerja yang dilakukan oleh mesin mikroskopis. Kami memberikan batasan mendasar pada jumlah ergotropi yang dapat diekstraksi dari lingkungan dengan cara ini. Ikatan dinyatakan dalam perbedaan energi bebas non-kesetimbangan dan dapat dijenuhkan dalam batas dimensi tak hingga dari sistem Hamiltonian. Proses ekstraksi ergotropi yang mengarah ke saturasi ini dianalisis secara numerik untuk sistem dimensi hingga. Selanjutnya, kami menerapkan ide ekstraksi ergotropi dari lingkungan dalam desain kelas baru mesin panas langkah, yang kami beri label mesin siklus terbuka. Efisiensi dan produksi kerja mesin ini dapat sepenuhnya dioptimalkan untuk sistem dimensi 2 dan 3, dan analisis numerik disediakan untuk dimensi yang lebih tinggi.

► data BibTeX

@artikel{Biswas2022ekstraksi, doi = {10.22331/q-2022-10-17-841}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2022-10-17-841}, title = {Ekstraksi ergotropi: energi bebas terikat dan aplikasi ke mesin siklus terbuka}, author = {Biswas, Tanmoy dan {L{}}obejko, Marcin dan Mazurek, Pawe{l{}} dan Ja{l{}}owiecki, Konrad dan Horodecki, Micha{l{}}}, jurnal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, penerbit = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volume = {6}, halaman = {841}, bulan = okt, tahun = {2022} }

► Referensi

[1] berg J. Ekstraksi kerja yang benar-benar seperti pekerjaan melalui analisis single-shot. Komunikasi Alam. 2013 Juni;4(1):1925. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1038/ncomms2712.
https:///doi.org/10.1038/ncomms2712

[2] Seifert U. Hukum Pertama dan Kedua Termodinamika pada Kopling Kuat. Phys Rev Lett. 2016 Jan;116:020601. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.020601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.116.020601

[3] Strasberg P, Esposito M. Non-Markovianity dan tingkat produksi entropi negatif. Phys Rev E. 2019 Jan;99:012120. Tersedia dari: 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. Hukum kedua termodinamika kuantum. Prosiding National Academy of Sciences. 2015;112(11):3275-9. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1073/pnas.1411728112.
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1411728112

[5] Skrzypczyk P, Short AJ, Popescu S. Bekerja ekstraksi dan termodinamika untuk sistem kuantum individu. Komunikasi Alam. 2014;5(1):4185. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1038/ncomms5185.
https:///doi.org/10.1038/ncomms5185

[6] Biswas T, Junior AdO, Horodecki M, Korzekwa K. Fluktuasi-disipasi hubungan untuk proses distilasi termodinamika. Phys Rev E. 2022 Mei;105:054127. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.105.054127.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.105.054127

[7] Jarzynski C. Nonequilibrium Kesetaraan untuk Perbedaan Energi Bebas. Phys Rev Lett. 1997 Apr;78:2690-3. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.78.2690

[8] Esposito M, Harbola U, Mukamel S. Tidak ada fluktuasi keseimbangan, teorema fluktuasi, dan statistik penghitungan dalam sistem kuantum. Rev Mod Phys. 2009 Des;81:1665-702. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1665.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1665

[9] Campisi M, Hänggi P, Pembicara P. Kolokium: Hubungan fluktuasi kuantum: Yayasan dan aplikasi. Rev Mod Phys. 2011 Juli;83:771-91. Tersedia dari: 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. Pekerjaan Berfluktuasi: Dari Identitas Termodinamika Kuantum ke Persamaan Hukum Kedua. Phys Rev X. 2016 Okt;6:041017. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.6.041017.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.041017

[11] Allahverdyan AE, Balian R, Nieuwenhuizen TM. Ekstraksi kerja maksimal dari sistem kuantum hingga. Surat Eurofisika (EPL). 2004 agustus;67(4):565-71. Tersedia dari:.
https: / / doi.org/ 10.1209 / epl / i2004-10101-2

[12] Ruch E, Mead A. Prinsip peningkatan karakter pencampuran dan beberapa konsekuensinya. Theoretica chimica acta. 1976 Apr;41:042110. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1007/BF01178071.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01178071

[13] Alicki R, Fannes M. Entanglement boost untuk pekerjaan yang dapat diekstraksi dari ansambel baterai kuantum. Tinjauan Fisik E. 2013 Apr;87(4). Tersedia dari: 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: pengisian daya baterai kuantum yang kuat. Jurnal Fisika Baru. Juli 2015;17(7):075015. Tersedia dari: 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, Celeri L, Goold J, Vinjanampathy S, dkk. Meningkatkan Daya Pengisian Baterai Quantum. Phys Rev Lett. 2017 April;118:150601. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.150601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.150601

[16] Monsel J, Fellous-Asiani M, Huard B, Auffves A. Biaya Energi Ekstraksi Pekerjaan. Phys Rev Lett. 2020 Mar;124:130601. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.130601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.130601

[17] Hovhannisyan KV, Barra F, Imparato A. Pengisian dibantu dengan termalisasi. Penelitian Phys Rev. 2020 Sep;2:033413. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.033413.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033413

[18] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Struktur keadaan pasif dan implikasinya dalam pengisian baterai kuantum. Phys Rev E. 2020 Agustus;102:022106. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.102.022106.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.102.022106

[19] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Terikat pada celah ergotropik untuk keadaan bipartit yang dapat dipisahkan. Phys Rev A. 2019 Mei;99:052320. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.052320.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.052320

[20] Puliyil S, Banik M, Alimuddin M. Tanda Tangan Termodinamika dari Keterikatan Multipartit Asli. Phys Rev Lett. 2022 Agustus;129:070601. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.070601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.070601

[21] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Independensi kerja dan entropi untuk sistem kuantum hingga energi yang sama: Energi keadaan pasif sebagai kuantifier belitan. Phys Rev E. 2020 Juli;102:012145. Tersedia dari: 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. Koherensi Kuantum dan Ergotropi. Phys Rev Lett. 2020 Okt;125:180603. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.180603.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.180603

[23] Sone A, Deffner S. Quantum dan Ergotropi Klasik dari Entropi Relatif. Entropi. 2021;23(9). Tersedia dari: https:///doi.org/10.3390/e23091107.
https: / / doi.org/ 10.3390 / e23091107

[24] Pusz W, Woronowicz SL. Status pasif dan status KMS untuk sistem kuantum umum. Fisika Matematika Comm. 1978;58(3):273-90. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1007/BF01614224.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01614224

[25] Sparaciari C, Jennings D, Oppenheim J. Ketidakstabilan energi keadaan pasif dalam termodinamika. Komunikasi Alam. 2017 Des;8(1):1895. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1038/s41467-017-01505-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-017-01505-4

[26] obejko M, Mazurek P, Horodecki M. Termodinamika Mesin Panas Kuantum Kopling Minimal. Kuantum. 2020 Des;4:375. Tersedia dari: https:///doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375.
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375

[27] obejko M. Ketimpangan Hukum Kedua ketat untuk sistem kuantum koheren dan mandi panas ukuran terbatas. Komunikasi Alam. 2021 Februari;12(1):918. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4

[28] Scovil HED, Schulz-DuBois EO. Maser Tiga Tingkat sebagai Mesin Panas. Phys Rev Lett. 1959 Maret;2:262-3. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.2.262.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.2.262

[29] Scully MO. Quantum Afterburner: Meningkatkan Efisiensi Mesin Panas Ideal. Phys Rev Lett. 2002 Jan;88:050602. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.050602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.88.050602

[30] Jacobs K. Pengukuran kuantum dan hukum pertama termodinamika: Biaya energi pengukuran adalah nilai kerja dari informasi yang diperoleh. Tinjauan Fisik E. 2012 Okt;86(4). Tersedia dari: 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. Peran informasi kuantum dalam termodinamika-review topikal. Jurnal Fisika A: Matematika dan Teoritis. 2016 Februari;49(14)::143001. Tersedia dari: 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. Hukum kedua termodinamika di bawah pembatasan kontrol. Tinjauan Fisik E. 2016 Apr;93(4). Tersedia dari: 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. Koreksi Kopling Kuat dalam Termodinamika Kuantum. Phys Rev Lett. 2018 Mar;120:120602. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.120602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.120602

[34] Alicki R. Sistem terbuka kuantum sebagai model mesin kalor. Jurnal Fisika A: Matematika dan Umum. 1979 mei;12(5):L103-7. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1088/0305-4470/12/5/007.
https://doi.org/10.1088/0305-4470/12/5/007

[35] del Rio L, berg J, Renner R, Dahlsten O, Vedral V. Arti termodinamika entropi negatif. Alam. 2011 Juni;474(7349):61-3. Tersedia dari:.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10123

[36] Horodecki M, Horodecki P, Oppenheim J. Transformasi reversibel dari keadaan murni ke keadaan campuran dan ukuran informasi yang unik. Phys Rev A. 2003 Juni;67:062104. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.67.062104.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.67.062104

[37] Horodecki M, Oppenheim J. Keterbatasan fundamental untuk termodinamika kuantum dan skala nano. Komunikasi Alam. 2013;4(1):2059. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1038/ncomms3059.
https:///doi.org/10.1038/ncomms3059

[38] berg J. Koherensi Katalitik. Phys Rev Lett. Oktober 2014;113:150402. Tersedia dari: 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. Batas untuk katalisis dalam termodinamika kuantum. Jurnal Fisika Baru. 2015 agustus;17(8):085004. Tersedia dari:.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/8/085004

[40] Brunner N, Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. Qubit virtual, suhu virtual, dan dasar-dasar termodinamika. Phys Rev E. 2012 Mei;85:051117. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.85.051117.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.85.051117

[41] Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. Mesin panas sekecil mungkin. arXiv:10106029. 2010. Tersedia dari: https:///doi.org/10.48550/arXiv.1010.6029.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1010.6029
arXiv: 10106029

[42] Monsel J, Elouard C, Auffves A. Mesin kuantum otonom untuk mengukur panah termodinamika waktu. npj Informasi Kuantum. 2018 November;4:59. Tersedia dari: 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. Mesin panas rotor otonom. Phys Rev E. 2017 Juni;95:062131. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.95.062131.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.95.062131

[44] Kosloff R, Levy A. Mesin Panas Kuantum dan Kulkas: Perangkat Berkelanjutan. Tinjauan Tahunan Kimia Fisika. 2014;65(1):365-93. Tersedia dari: 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. Konsep kerja di mesin panas kuantum otonom. Kuantum. 2019 Okt;3:195. Tersedia dari: 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, dkk. Putar Mesin Panas yang Dipasangkan dengan Roda Gila Harmonic-Oscillator. Phys Rev Lett. 2019 Agustus;123:080602. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.080602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.080602

[47] Singh V. Pengoperasian mesin panas kuantum tiga tingkat yang optimal dan sifat efisiensi yang universal. Penelitian Phys Rev. 2020 November;2:043187. Tersedia dari: 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. Transfer energi yang dimediasi pengisi daya dalam model yang dapat dipecahkan dengan tepat untuk baterai kuantum. Phys Rev B. 2018 Nov;98:205423. Tersedia dari: 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, Peran Korelasi, dan Kebebasan Asimtotik dalam Baterai Quantum. Phys Rev Lett. 2019 Februari;122:047702. Tersedia dari: 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. Biaya Termodinamika Keandalan dan Suhu Rendah: Prinsip Pengetatan Landauer dan Hukum Kedua. Int J Teori Phys. 2000 Des;39(12):2717-53. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1023/A:1026422630734.
https: / / doi.org/ 10.1023 / A: 1026422630734

[51] RF lebih lurus. Dinamika Statistik: Pendekatan Stokastik Untuk Termodinamika Tidak Keseimbangan (Edisi ke-2). Perusahaan Penerbitan Ilmiah Dunia; 2009. Tersedia dari: https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ.
https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ

[52] Barra F. Pengisian Disipatif Baterai Quantum. Surat Tinjauan Fisik. 2019 mei;122(21). Tersedia dari:.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.210601

[53] Mazurek P, Horodecki M. Decomposability dan struktur cembung proses termal. Jurnal Fisika Baru. 2018 mei;20(5):053040. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aac057.
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aac057

[54] Mazurek P. Proses termal dan pencapaian status. Phys Rev A. 2019 Apr;99:042110. Tersedia dari: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.042110.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.042110

Dikutip oleh

[1] RR Rodriguez, B. Ahmadi, G. Suarez, P. Mazurek, S. Barzanjeh, dan P. Horodecki, "Kontrol Kuantum Optimal Pengisian Baterai Kuantum", arXiv: 2207.00094.

Kutipan di atas berasal dari SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2022-10-17 14:07:51). Daftar ini mungkin tidak lengkap karena tidak semua penerbit menyediakan data kutipan yang cocok dan lengkap.

Tidak dapat mengambil Crossref dikutip oleh data selama upaya terakhir 2022-10-17 14:07:49: Tidak dapat mengambil data yang dikutip oleh untuk 10.22331 / q-2022-10-17-841 dari Crossref. Ini normal jika DOI terdaftar baru-baru ini.

Makalah ini diterbitkan dalam Quantum di bawah Creative Commons Attribution 4.0 Internasional (CC BY 4.0) lisensi. Hak cipta tetap berada pada pemegang hak cipta asli seperti penulis atau lembaganya.