1Sekolah Fisika, Trinity College Dublin, College Green, Dublin 2, Irlandia
2Pusat sistem kuantum kompleks, Universitas Aarhus, Nordre Ringgade 1, 8000 Aarhus C, Denmark
3Pusat Dahlem untuk Sistem Kuantum Kompleks, Freie Universit di Berlin, 14195 Berlin, Jerman
4Sekolah Fisika, University College Dublin, Belfield, Dublin 4, Irlandia
5Pusat Rekayasa Kuantum, Sains, dan Teknologi, University College Dublin, Belfield, Dublin 4, Irlandia
6Departamento de Fรญsica, Universidad de Murcia, Murcia E-30071, Spanyol
Apakah makalah ini menarik atau ingin dibahas? Scite atau tinggalkan komentar di SciRate.
Abstrak
Kami memperkenalkan kelas unik mesin termal kuantum siklus (QTM) yang dapat memaksimalkan kinerjanya pada nilai durasi siklus terbatas $tau$ di mana mesin tersebut paling tidak dapat diubah. QTM ini didasarkan pada siklus termodinamika langkah tunggal yang diwujudkan oleh keadaan tunak non-ekuilibrium (NESS) dari apa yang disebut proses Pemandian Penyegaran Berkala (PReB). Kami menemukan bahwa QTM semacam itu dapat menginterpolasi antara QTM tabrakan standar, yang mempertimbangkan interaksi berulang dengan lingkungan situs tunggal, dan QTM otonom yang dioperasikan dengan kopling simultan ke beberapa pemandian makroskopik. Kami membahas realisasi fisik dari proses tersebut dan menunjukkan bahwa implementasinya memerlukan jumlah salinan pemandian yang terbatas. Menariknya, memaksimalkan kinerja dengan beroperasi pada titik yang paling ireversibel sebagai fungsi $tau$ datang dengan biaya peningkatan kompleksitas mewujudkan rezim seperti itu, yang terakhir diukur dengan peningkatan jumlah salinan mandi yang dibutuhkan. Kami mendemonstrasikan fisika ini dengan mempertimbangkan contoh sederhana. Kami juga memperkenalkan deskripsi elegan dari proses PREB untuk sistem Gaussian dalam hal persamaan Lyapunov waktu-diskrit. Lebih lanjut, analisis kami juga mengungkapkan hubungan menarik dengan efek Zeno dan anti-Zeno.
Gambar unggulan: Mesin termal kuantum sederhana yang diperbarui secara berkala. Ini terdiri dari dua situs fermionik dengan melompat $g$ di antara mereka, masing-masing situs memiliki set mandi sendiri, yang pasangan satu per satu untuk waktu $tau$ dalam mode siklik. Di sini setiap rendaman dijelaskan oleh satu situs fermionik disipatif. Disipasi 'menyegarkan' setiap rendaman ke keadaan setimbangnya sebelum digabungkan kembali ke sistem. Temperatur keadaan setimbang dari himpunan mandi yang dipasang pada kedua tempat berbeda (suhu terbalik, $beta_1$ dan $beta_2$), sedangkan potensial kimia ($mu$) sama.
Ringkasan populer
Berdasarkan sistem kuantum mikroskopis, kami mengusulkan jenis baru siklus termodinamika yang paling efisien ketika disipasi dimaksimalkan sebagai fungsi dari durasi siklus. Akibatnya, sebagai fungsi dari durasi siklus, tidak ada trade-off antara daya dan efisiensi. Kami menyebut mesin panas dan lemari es berdasarkan siklus termodinamika ini "mesin termal kuantum yang disegarkan secara berkala." Tidak seperti mesin termal tradisional, sistem tidak kembali ke keadaan setimbang pada akhir setiap siklus, melainkan ke keadaan yang jauh dari keseimbangan. Kami membahas bagaimana proses seperti itu dapat diwujudkan secara fisik. Sifat siklus membuat dinamika dan termodinamika sistem dapat menerima perlakuan numerik yang tepat dalam pendekatan mikroskopis yang ada untuk termodinamika kuantum. Secara khusus, untuk sistem Gaussian, kami menemukan deskripsi yang elegan dalam hal persamaan Lyapunov waktu-diskrit: persamaan yang dipelajari dengan baik dalam matematika dan teknik yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari untuk mengontrol objek makroskopik. โMesin termal kuantum yang diperbarui secara berkalaโ menggabungkan beberapa konsep, menunjukkan hubungan mendalam dengan fisika interaksi berulang atau model tumbukan, perangkat termoelektrik, dan kuantum Zeno dan efek anti-Zeno.
โบ data BibTeX
โบ Referensi
[1] HS Leff dan GL Jones, American Journal of Physics 43, 973 (1975).
https: / / doi.org/ 10.1119 / 1.10032
[2] HS Leff, Jurnal Fisika Amerika 86, 344 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1119 / 1.5020985
[3] S. Bhattacharjee dan A. Dutta, Jurnal Fisik Eropa B 94, 239 (2021).
https:/โ/โdoi.org/โ10.1140/โepjb/โs10051-021-00235-3
[4] NM Myers, O. Abah, dan 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, dan J. Goold, Phys. Wahyu B 104, 045417 (2021).
https://โ/โdoi.org/โ10.1103/โPhysRevB.104.045417
[6] H.-P. Breuer dan F. Petruccione, Teori Sistem Quantum Terbuka (Oxford University Press, Oxford, 2007).
https: / / doi.org/ 10.1093 / acprof: oso / 9780199213900.001.0001
[7] H. Haug dan A.-P. Jauho, Quantum Kinetics dalam Transportasi dan Optik Semikonduktor (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008).
https:/โ/โdoi.org/โ10.1007/โ978-3-540-73564-9
[8] A. Kamenev, Teori Bidang Sistem Non-Equilibrium (Cambridge University Press, Cambridge, 2011).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139003667
[9] J.Rau, Phys. Wahyu 129, 1880 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.129.1880
[10] S. Campbell dan B. Vacchini, EPL (Europhysics Letters) 133, 60001 (2021).
https:/โ/โdoi.org/โ10.1209/โ0295-5075/โ133/โ60001
[11] F. Ciccarello, S. Lorenzo, V. Giovannetti, dan GM Palma, Fisika Laporan 954, 1 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.01.001
[12] M. Cattaneo, G. De Chiara, S. Maniscalco, R. Zambrini, dan GL Giorgi, Phys. Pdt. Lett. 126, 130403 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.130403
[13] P. Strasberg, G. Schaller, T. Brandes, dan M. Esposito, Phys. Rev. X 7, 021003 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021003
[14] P. Strasberg, Phys. Pdt. 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, dan M. Antezza, Jurnal Fisika Baru 20, 113024 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aaecee
[16] G. Guarnieri, D. Morrone, B. akmak, F. Plastina, dan S. Campbell, Fisika 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, Fisika Kontemporer 60, 164 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00107514.2019.1631555
[19] G. Benenti, G. Casati, K. Saito, dan RS Whitney, Laporan Fisika 694, 1 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2017.05.008
[20] Z. Gajiฤ dan MTJ Qureshi, persamaan matriks Lyapunov dalam stabilitas dan kontrol sistem (Academic Press, Inc. San Diego, California, 1995).
[21] J. Sun dan J. Yong, teori kontrol optimal linier-kuadrat Stochastic: Solusi loop terbuka dan loop tertutup (Springer Nature, Swiss, 2020).
https:/โ/โdoi.org/โ10.1007/โ978-3-030-20922-3
[22] R. Dann dan R. Kosloff, Quantum 5, 590 (2021a).
https:/โ/โdoi.org/โ10.22331/โq-2021-11-25-590
[23] R. Dann dan R. Kosloff, Phys. Rev. Penelitian 3, 023006 (2021b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.023006
[24] M. Esposito, MA Ochoa, dan M. Galperin, Phys. Pdt. Lett. 114, 080602 (2015a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.080602
[25] M. Esposito, MA Ochoa, dan M. Galperin, Phys. Wahyu B 92, 235440 (2015b).
https://โ/โdoi.org/โ10.1103/โPhysRevB.92.235440
[26] D. Newman, F. Mintert, dan A. Nazir, Phys. Rev. E 95, 032139 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.95.032139
[27] S. Restrepo, J. Cerrillo, P. Strasberg, dan G. Schaller, Jurnal Fisika Baru 20, 053063 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aac583
[28] M. Perarnau-Llobet, H. Wilming, A. Riera, R. Gallego, dan J. Eisert, Phys. Pdt. Lett. 120, 120602 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.120602
[29] G. Schaller, J. Cerrillo, G. Engelhardt, dan P. Strasberg, Phys. Wahyu B 97, 195104 (2018).
https://โ/โdoi.org/โ10.1103/โPhysRevB.97.195104
[30] N. Pancotti, M. Scandi, MT Mitchison, dan M. Perarnau-Llobet, Phys. Wahyu X 10 (031015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.031015
[31] M. Carrega, LM Cangemi, G. De Filippis, V. Cataudella, G. Benenti, dan M. Sassetti, PRX Quantum 3, 010323 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010323
[32] B. Misra dan EKG Sudarshan, Jurnal Fisika Matematika 18, 756 (1977).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.523304
[33] AG Kofman dan G. Kurizki, Alam 405 (546).
https: / / doi.org/ 10.1038 / 35014537
[34] AG Kofman dan G. Kurizki, Phys. Pdt. Lett. 87, 270405 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.87.270405
[35] AG Kofman dan G. Kurizki, Phys. Pdt. Lett. 93, 130406 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.93.130406
[36] N. Erez, G. Gordon, M. Nest, dan G. Kurizki, Alam 452, 724 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature06873
[37] GA lvarez, DDB Rao, L. Frydman, dan G. Kurizki, Phys. Pdt. Lett. 105, 160401 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.160401
[38] DD Bhaktavatsala Rao dan G. Kurizki, Phys. Wahyu A 83, 032105 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.032105
[39] V. Mukherjee, AG Kofman, dan G. Kurizki, Fisika Komunikasi 3, 8 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s42005-019-0272-z
[40] A. Das dan V. Mukherjee, Phys. Rev. Penelitian 2, 033083 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033083
[41] A. Auffรฉves, (2021), arXiv:2111.09241 [quant-ph].
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.020101
arXiv: 2111.09241
[42] J. Prior, AW Chin, SF Huelga, dan MB Plenio, Phys. Pdt. Lett. 105, 050404 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.050404
[43] AW Chin, A. Rivas, SF Huelga, dan MB Plenio, Jurnal Fisika Matematika 51, 092109 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.3490188
[44] A. Garg, JN Onuchic, dan V. Ambegaokar, Jurnal Fisika Kimia 83, 4491 (1985).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.449017
[45] A. Nazir dan G. Schaller, "Pemetaan Koordinat Reaksi dalam Termodinamika Kuantum," dalam Termodinamika dalam Rezim Kuantum: Aspek Fundamental dan Arah Baru, Vol. 195, diedit oleh F. Binder, LA Correa, C. Gogolin, J. Anders, dan G. Adesso (2018) hal. 551.
https:/โ/โdoi.org/โ10.1007/โ978-3-319-99046-0_23
[46] I. de Vega, U. Scholwรถck, dan FA Wolf, Phys. Wahyu B 92, 155126 (2015).
https://โ/โdoi.org/โ10.1103/โPhysRevB.92.155126
[47] P. Strasberg, G. Schaller, TL Schmidt, dan M. Esposito, Phys. Wahyu B 97, 205405 (2018).
https://โ/โdoi.org/โ10.1103/โPhysRevB.97.205405
[48] MP Woods, M. Cramer, dan MB Plenio, Phys. Pdt. Lett. 115, 130401 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.115.130401
[49] MP Woods dan MB Plenio, Jurnal Fisika Matematika 57, 022105 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4940436
[50] N. Shiraishi dan H. Tajima, Phys. Wahyu E 96, 022138 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.96.022138
[51] M. Esposito, K. Lindenberg, dan CV den Broeck, Jurnal Fisika Baru 12, 013013 (2010).
https:/โ/โdoi.org/โ10.1088/โ1367-2630/โ12/โ1/โ013013
[52] D. Reeb dan MM Wolf, Jurnal Fisika Baru 16, 103011 (2014).
https:/โ/โdoi.org/โ10.1088/โ1367-2630/โ16/โ10/โ103011
[53] GT Landi dan M. Paternostro, Rev. Mod. fisik. 93, 035008 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.93.035008
[54] P. Strasberg dan A. Winter, PRX Quantum 2, 030202 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030202
[55] A. Dhar dan D. Sen, Phys. Pdt. B 73, 085119 (2006).
https://โ/โdoi.org/โ10.1103/โPhysRevB.73.085119
[56] A. Dhar, K. Saito, dan P. Hรคnggi, Phys. Wahyu E 85, 011126 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.85.011126
[57] D. Grimmer, E. Brown, A. Kempf, RB Mann, dan E. Martรญn-Martรญnez, Phys. Wahyu A 97, 052120 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.052120
[58] RR Camasca dan GT Landi, Phys. Wahyu A 103, 022202 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.022202
[59] H. Leitch, N. Piccione, B. Bellomo, dan GD Chiara, (2021), arXiv:2108.11341 [quant-ph].
https: / / doi.org/ 10.1116 / 5.0072067
arXiv: 2108.11341
[60] FL Curzon dan B. Ahlborn, American Journal of Physics 43, 22 (1975).
https: / / doi.org/ 10.1119 / 1.10023
[61] P. Strasberg, MG Dรญaz, dan A. Riera-Capeny, Phys. Wahyu E 104, L022103 (2021).
https://โ/โdoi.org/โ10.1103/โPhysRevE.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 dan U. Seifert, Phys. Pdt. Lett. 120, 190602 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.190602
[64] G. Guarnieri, GT Landi, SR Clark, dan J. Goold, Phys. Rev Penelitian 1, 033021 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.1.033021
[65] AM Timpanaro, G. Guarnieri, J. Goold, dan GT Landi, Phys. Pdt. Lett. 123, 090604 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.090604
[66] N. Van Horne, D. Yum, T. Dutta, P. Hรคnggi, J. Gong, D. Poletti, dan M. Mukherjee, npj Informasi Kuantum 6, 37 (2020).
https:/โ/โdoi.org/โ10.1038/โs41534-020-0264-6
[67] G. Watanabe, BP Venkatesh, P. Talkner, M.-J. Hwang, dan A. del Campo, Phys. Pdt. Lett. 124, 210603 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.210603
[68] F. Barra, Phys. Pdt. Lett. 122, 210601 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.210601
[69] KV Hovhannisyan, F. Barra, dan A. Imparato, Phys. Rev. Penelitian 2, 033413 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033413
[70] MT Mitchison, J. Goold, dan J. Prior, Quantum 5, 500 (2021).
https:/โ/โdoi.org/โ10.22331/โq-2021-07-13-500
[71] P. Taranto, F. Bakhshinezhad, P. Schรผttelkopf, F. Clivaz, dan M. Huber, Phys. Rev. Diterapkan 14, 054005 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.14.054005
[72] M.-C. Chung dan I. Peschel, Phys. Wahyu B 64, 064412 (2001).
https://โ/โdoi.org/โ10.1103/โPhysRevB.64.064412
[73] V. Eisler dan I. Peschel, Jurnal Fisika A: Matematika dan Teori 50, 284003 (2017).
https:/โ/โdoi.org/โ10.1088/โ1751-8121/โaa76b5
Dikutip oleh
[1] Fernando S. Filho, Bruno AN Akasaki, Carlos E. Fernadรฉz Noa, Bart Cleuren, dan Carlos E. Fiore, "Termodinamika dan efisiensi partikel Brown bertumbukan berurutan: Peran penggerak", arXiv: 2206.05819.
[2] Felipe Barra, โFluktuasi Efisiensi dalam Baterai Kuantum yang Diisi oleh Proses Interaksi Berulangโ, Entropi 24 6, 820 (2022).
Kutipan di atas berasal dari SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2022-09-09 02:42:37). Daftar ini mungkin tidak lengkap karena tidak semua penerbit menyediakan data kutipan yang cocok dan lengkap.
On Layanan dikutip-oleh Crossref tidak ada data tentang karya mengutip ditemukan (upaya terakhir 2022-09-09 02:42:35).
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.
