מכונות תרמיות קוונטיות מתרעננות מעת לעת

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

Archak Purkayastha^1,2, ג'אקומו גוארניירי³, סטיב קמפבל^4,5, חוויאר פריור⁶, וג'ון גולד¹

¹בית הספר לפיזיקה, טריניטי קולג' דבלין, קולג' גרין, דבלין 2, אירלנד
²מרכז למערכות קוונטיות מורכבות, אוניברסיטת Aarhus, Nordre Ringgade 1, 8000 Aarhus C, דנמרק
³מרכז דאהלם למערכות קוונטיות מורכבות, אוניברסיטת פרייה בברלין, 14195 ברלין, גרמניה
⁴בית הספר לפיזיקה, אוניברסיטאי קולג' דבלין, בלפילד, דבלין 4, אירלנד
⁵המרכז להנדסה קוונטית, מדע וטכנולוגיה, אוניברסיטאי קולג' דבלין, בלפילד, דבלין 4, אירלנד
⁶Departamento de Física, Universidad de Murcia, Murcia E-30071, ספרד

מצא את העיתון הזה מעניין או רוצה לדון? סקייט או השאירו תגובה ב- SciRate.

תַקצִיר

אנו מציגים סוג ייחודי של מכונות תרמיות קוונטיות מחזוריות (QTMs) שיכולות למקסם את הביצועים שלהן בערך הסופי של משך המחזור $tau$ היכן שהן הכי בלתי הפיכות. QTMs אלה מבוססים על מחזורים תרמודינמיים חד-פעמיים הממומשים על ידי מצב יציב ללא שיווי משקל (NESS) של התהליך שנקרא Periodically Refreshed Baths (PReB). אנו מוצאים ש-QTMs כאלה יכולים לבצע אינטרפולציה בין QTMs התנגשות סטנדרטיים, השוקלים אינטראקציות חוזרות ונשנות עם סביבות של אתר בודד, לבין QTMs אוטונומיים המופעלים על ידי צימוד בו-זמני לאמבטיות מקרוסקופיות מרובות. אנו דנים במימוש הפיזי של תהליכים כאלה ומראים שיישומה דורש מספר סופי של עותקים של המרחצאות. מעניין לציין שמקסום הביצועים על ידי הפעלה בנקודה הבלתי הפיכה ביותר כפונקציה של $tau$ באה במחיר של הגדלת המורכבות של מימוש משטר כזה, שהאחרון נכמת על ידי הגידול במספר העותקים של האמבטיות הנדרשות. אנו מדגימים את הפיזיקה הזו בהתחשב בדוגמה פשוטה. אנו מציגים גם תיאור אלגנטי של תהליך PReB עבור מערכות גאוסיות במונחים של משוואת ליאפונוב בזמן דיסקרטי. יתר על כן, הניתוח שלנו חושף גם קשרים מעניינים עם אפקטים של זינו ואנטי-זנו.

תמונה מומלצת: מכונה תרמית קוונטית פשוטה המתרעננת מעת לעת. הוא מורכב משני אתרים פרמיוניים שביניהם מקפצים $g$, לכל אתר יש סט אמבטיות משלו, שמתחברים אחד אחד לזמן מה $tau$ בצורה מחזורית. כאן כל אמבטיה מתוארת על ידי אתר פרמיוני אחד מתפזר. הפיזור 'מרענן' כל אמבטיה למצב שיווי המשקל שלה לפני שהיא מחוברת מחדש למערכת. הטמפרטורות של מצבי שיווי המשקל של קבוצת האמבטיות המחוברות לשני האתרים שונות (טמפרטורות הפוכות, $beta_1$ ו-$beta_2$), בעוד שהפוטנציאלים הכימיים ($mu$) זהים.

סיכום פופולרי

מנועי חום ומקררים (מכונות תרמיות) המבוססים על מחזורים תרמודינמיים מסורתיים הם היעילים ביותר בגבול כמעט הפיך, כלומר, כאשר הפיזור נמוך. זה מתאים למגבלה של מחזורים איטיים עם משך מחזור ארוך. עם זאת, באותו גבול, ההספק יורד לאפס, וכתוצאה מכך משתנה בין הספק ליעילות כפונקציה של משך המחזור. זהו אחד מיחסי הסחר הבסיסיים בתרמודינמיקה סטנדרטית.

בהתבסס על מערכות קוונטיות מיקרוסקופיות, אנו מציעים סוג חדש של מחזור תרמודינמי שיכול להיות היעיל ביותר כאשר הפיזור מוגדל כפונקציה של משך המחזור. כתוצאה מכך, כפונקציה של משך המחזור, אין פשרה בין כוח ליעילות. אנו קוראים למנועי חום ומקררים המבוססים על מחזור תרמודינמי זה "מכונות תרמיות קוונטיות המרעננות מעת לעת". בניגוד למכונות תרמיות מסורתיות, המערכת לא חוזרת למצב שיווי משקל בסוף כל מחזור, אלא למצב רחוק משיווי משקל. אנו דנים כיצד תהליך כזה יכול להתממש פיזית. אופי המחזור הופך את הדינמיקה והתרמודינמיקה של המערכת לניתנים לטיפול מספרי מדויק במסגרת גישות מיקרוסקופיות קיימות לתרמודינמיקה קוונטית. בפרט, עבור מערכות גאוסיות, אנו מוצאים תיאור אלגנטי במונחים של משוואת ליאפונוב בזמן דיסקרטי: משוואה נלמדת היטב במתמטיקה ובהנדסה המשמשת בחיי היומיום לשליטה על עצמים מקרוסקופיים. "מכונות תרמיות קוונטיות מתרעננות מעת לעת" משלבות כמה מושגים, ומדגימות קשרים עמוקים עם הפיזיקה של מודלים של אינטראקציה חוזרת או התנגשות, התקנים תרמו-אלקטריים, ואפקטים קוונטיים של זינו ואנטי-זנו.

► נתוני BibTeX

@article{Purkayastha2022 מעת לעת, doi = {10.22331/q-2022-09-08-801}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2022-09-08-801}, title = {מכונות תרמיות קוונטיות רענון תקופתי}, מחבר = {Purkayastha, Archak and Guarnieri, Giacomo and Campbell, Steve and Prior, Javier and Goold, John}, יומן = {{קוואנטום}}, issn = {2521-327X}, publisher = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, נפח = {6}, דפים = {801}, חודש = ספטמבר, שנה = {2022} }

► הפניות

[1] HS Leff ו-GL Jones, American Journal of Physics 43, 973 (1975).
https: / / doi.org/ 10.1119 / 1.10032

[2] HS Leff, American Journal of Physics 86, 344 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1119 / 1.5020985

[3] S. Bhattacharjee and A. Dutta, The European Physical Journal B 94, 239 (2021).
https://doi.org/10.1140/epjb/s10051-021-00235-3

[4] NM Myers, O. Abah, and 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, and J. Goold, Phys. ר' ב' 104, 045417 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.104.045417

[6] H.-P. ברויאר ו פ. פטרוציונה, התיאוריה של מערכות קוונטיות פתוחות (הוצאת אוניברסיטת אוקספורד, אוקספורד, 2007).
https: / / doi.org/ 10.1093 / acprof: oso / 9780199213900.001.0001

[7] ה.האוג וא.-פ. Jauho, קינטיקה קוונטית בהובלה ואופטיקה של מוליכים למחצה (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008).
https://doi.org/10.1007/978-3-540-73564-9

[8] A. Kamenev, Theory Field of Non-Equilibrium Systems (Cambridge University Press, Cambridge, 2011).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9781139003667

[9] J. Rau, Phys. רפ' 129, 1880 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.129.1880

[10] S. Campbell and B. Vacchini, EPL (Europhysics Letters) 133, 60001 (2021).
https://doi.org/10.1209/0295-5075/133/60001

[11] F. Ciccarello, S. Lorenzo, V. Giovannetti, and GM Palma, Physics Reports 954, 1 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2022.01.001

[12] M. Cattaneo, G. De Chiara, S. Maniscalco, R. Zambrini, ו-GL Giorgi, Phys. הכומר לט. 126, 130403 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.130403

[13] P. Strasberg, G. Schaller, T. Brandes, and M. Esposito, Phys. Rev. X 7, 021003 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.7.021003

[14] P. Strasberg, Phys. הכומר לט. 123, 180604 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.180604

[15] GD Chiara, G. Landi, A. Hewgill, B. Reid, A. Ferraro, AJ Roncaglia, and M. Antezza, New Journal of Physics 20, 113024 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aaecee

[16] G. Guarnieri, D. Morrone, B. Çakmak, F. Plastina, and S. Campbell, Physics Letters A 384, 126576 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physleta.2020.126576

[17] F. Barra, Sci. רפ' 5, 14873 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / srep14873

[18] MT Mitchison, Contemporary Physics 60, 164 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00107514.2019.1631555

[19] G. Benenti, G. Casati, K. Saito, and RS Whitney, Physics Reports 694, 1 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2017.05.008

[20] Z. Gajić ו-MTJ Qureshi, משוואת מטריצה Lyapunov ביציבות ובקרה של המערכת (Academic Press, Inc. San Diego, California, 1995).

[21] J. Sun ו-J. Yong, תיאוריית הבקרה האופטימלית ליניארית-ריבועית סטוכסטית: פתרונות לולאה פתוחה וסגורה (Springer Nature, שוויץ, 2020).
https://doi.org/10.1007/978-3-030-20922-3

[22] ר' דן ור' קוסלוף, קוונטום 5, 590 (2021א).
https://doi.org/10.22331/q-2021-11-25-590

[23] ר' דן ור' קוסלוף, פיזי. Rev. Research 3, 023006 (2021b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.023006

[24] M. Esposito, MA Ochoa, and M. Galperin, Phys. הכומר לט. 114, 080602 (2015א).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.080602

[25] M. Esposito, MA Ochoa, and M. Galperin, Phys. רפ' ב 92, 235440 (2015ב).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.92.235440

[26] D. Newman, F. Mintert, and A. Nazir, Phys. Rev. E 95, 032139 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.95.032139

[27] S. Restrepo, J. Cerrillo, P. Strasberg, and G. Schaller, New Journal of Physics 20, 053063 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aac583

[28] M. Perarnau-Llobet, H. Wilming, A. Riera, R. Gallego, and J. Eisert, Phys. הכומר לט. 120, 120602 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.120602

[29] G. Schaller, J. Cerrillo, G. Engelhardt, and P. Strasberg, Phys. ר' ב 97, 195104 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.97.195104

[30] N. Pancotti, M. Scandi, MT Mitchison, and M. Perarnau-Llobet, Phys. Rev. X 10, 031015 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.10.031015

[31] M. Carrega, LM Cangemi, G. De Filippis, V. Cataudella, G. Benenti, and M. Sassetti, PRX Quantum 3, 010323 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010323

[32] B. Misra and ECG Sudarshan, Journal of Mathematical Physics 18, 756 (1977).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.523304

[33] א.ג קופמן וג' קוריזקי, טבע 405, 546 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1038 / 35014537

[34] AG Kofman and G. Kurizki, Phys. הכומר לט. 87, 270405 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.87.270405

[35] AG Kofman and G. Kurizki, Phys. הכומר לט. 93, 130406 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.93.130406

[36] נ' ארז, ג' גורדון, מ' נס וג' קוריזקי, טבע 452, 724 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature06873

[37] GA Álvarez, DDB Rao, L. Frydman, and G. Kurizki, Phys. הכומר לט. 105, 160401 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.160401

[38] DD Bhaktavatsala Rao and G. Kurizki, Phys. ר' א 83, 032105 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.032105

[39] V. Mukherjee, AG Kofman, and G. Kurizki, Communications Physics 3, 8 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s42005-019-0272-z

[40] A. Das and V. Mukherjee, Phys. Rev. Research 2, 033083 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033083

[41] A. Aufféves, (2021), arXiv:2111.09241 [quant-ph].
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.020101
arXiv: 2111.09241

[42] J. Prior, AW Chin, SF Huelga, ו-MB Plenio, Phys. הכומר לט. 105, 050404 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.050404

[43] AW Chin, A. Rivas, SF Huelga ו-MB Plenio, Journal of Mathematical Physics 51, 092109 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.3490188

[44] A. Garg, JN Onuchic, and V. Ambegaokar, The Journal of Chemical Physics 83, 4491 (1985).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.449017

[45] א' נזיר וג' שלר, "מיפוי קואורדינטות התגובה בתרמודינמיקה קוונטית", בתרמודינמיקה במשטר הקוונטי: היבטים יסודיים וכיוונים חדשים, כרך 195, 2018. 551, בעריכת F. Binder, LA Correa, C. Gogolin, J. Anders, and G. Adesso (XNUMX) p. XNUMX.
https://doi.org/10.1007/978-3-319-99046-0_23

[46] I. de Vega, U. Schollwöck, ו-FA Wolf, Phys. רפ' ב 92, 155126 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.92.155126

[47] P. Strasberg, G. Schaller, TL Schmidt, and M. Esposito, Phys. ר' ב 97, 205405 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.97.205405

[48] MP Woods, M. Cramer, ו-MB Plenio, Phys. הכומר לט. 115, 130401 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.115.130401

[49] MP Woods and MB Plenio, Journal of Mathematical Physics 57, 022105 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4940436

[50] N. Shiraishi and H. Tajima, Phys. Rev. E 96, 022138 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.96.022138

[51] M. Esposito, K. Lindenberg, and CV den Broeck, New Journal of Physics 12, 013013 (2010).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/12/1/013013

[52] D. Reeb and MM Wolf, New Journal of Physics 16, 103011 (2014).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/10/103011

[53] GT Landi ו-M. Paternostro, Rev. Mod. פיזי. 93, 035008 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.93.035008

[54] P. Strasberg and A. Winter, PRX Quantum 2, 030202 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030202

[55] A. Dhar and D. Sen, Phys. ר' ב 73, 085119 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.73.085119

[56] A. Dhar, K. Saito, and P. Hänggi, Phys. Rev. E 85, 011126 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.85.011126

[57] D. Grimmer, E. Brown, A. Kempf, RB Mann, and E. Martín-Martínez, Phys. ר' א 97, 052120 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.052120

[58] RR Camasca ו-GT Landi, Phys. Rev. A 103, 022202 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.022202

[59] H. Leitch, N. Piccione, B. Bellomo, and GD Chiara, (2021), arXiv:2108.11341 [quant-ph].
https: / / doi.org/ 10.1116 / 5.0072067
arXiv: 2108.11341

[60] FL Curzon and B. Ahlborn, American Journal of Physics 43, 22 (1975).
https: / / doi.org/ 10.1119 / 1.10023

[61] P. Strasberg, MG Díaz, and A. Riera-Campeny, Phys. Rev. E 104, L022103 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.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 and U. Seifert, Phys. הכומר לט. 120, 190602 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.190602

[64] G. Guarnieri, GT Landi, SR Clark, and J. Goold, Phys. Rev. Research 1, 033021 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.1.033021

[65] AM Timpanaro, G. Guarnieri, J. Goold, ו-GT Landi, Phys. הכומר לט. 123, 090604 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.090604

[66] N. Van Horne, D. Yum, T. Dutta, P. Hänggi, J. Gong, D. Poletti, and M. Mukherjee, npj Quantum Information 6, 37 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41534-020-0264-6

[67] G. Watanabe, BP Venkatesh, P. Talkner, M.-J. הוואנג, ו-A. del Campo, Phys. הכומר לט. 124, 210603 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.210603

[68] F. Barra, Phys. הכומר לט. 122, 210601 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.210601

[69] KV Hovhannisyan, F. Barra, ו-A. Imparato, Phys. Rev. Research 2, 033413 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033413

[70] MT Mitchison, J. Goold, and J. Prior, Quantum 5, 500 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-07-13-500

[71] P. Taranto, F. Bakhshinezhad, P. Schüttelkopf, F. Clivaz, and M. Huber, Phys. Rev. Applied 14, 054005 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.14.054005

[72] M.-C. Chung and I. Peschel, Phys. ר' ב 64, 064412 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.64.064412

[73] V. Eisler and I. Peschel, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 50, 284003 (2017).
https://doi.org/10.1088/1751-8121/aa76b5

מצוטט על ידי

[1] פרננדו ס פילו, ברונו א.אן אקסאקי, קרלוס א. פרנדז נואה, בארט קלאורן וקרלוס א. פיורה, "תרמודינמיקה ויעילות של חלקיקים בראוניים מתנגשים ברצף: תפקיד הנהיגה", arXiv: 2206.05819.

[2] פליפה בארה, "תנודות יעילות בסוללה קוונטית הנטענת בתהליך אינטראקציה חוזרת", אנטרופי 24 6, 820 (2022).

הציטוטים לעיל הם מ- מודעות SAO / NASA (עודכן לאחרונה בהצלחה 2022-09-09 02:42:37). הרשימה עשויה להיות שלמה מכיוון שלא כל בעלי האתרים מספקים נתוני ציטוט ראויים ומלאים.

On השירות המוזכר של קרוסרף לא נמצאו נתונים על ציטוט עבודות (ניסיון אחרון 2022-09-09 02:42:35)

מאמר זה מתפרסם בקוונטים תחת התקציב ייחוס Creative Commons 4.0 הבינלאומי (CC BY 4.0) רישיון. זכויות יוצרים נשארות עם בעלי זכויות היוצרים המקוריים כמו המחברים או מוסדותיהם.