1International Center for Theory of Quantum Technologies, University of Gdansk, Wita Stwosza 63, 80-308 Gdansk, Polen
2Instituut voor Theoretische en Toegepaste Informatica, Poolse Academie van Wetenschappen, Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Polen
Vind je dit artikel interessant of wil je het bespreken? Scite of laat een reactie achter op SciRate.
Abstract
De tweede wet van de thermodynamica gebruikt veranderingen in de vrije energie van macroscopische systemen om een grens te stellen aan de uitgevoerde arbeid. Ergotropie speelt een soortgelijke rol in microscopische scenario's en wordt gedefinieerd als de maximale hoeveelheid energie die door een unitaire operatie uit een systeem kan worden gehaald. In deze analyse kwantificeren we hoeveel ergotropie op een systeem kan worden geïnduceerd als gevolg van de interactie van het systeem met een thermaal bad, met het perspectief om het te gebruiken als een bron van werk dat wordt uitgevoerd door microscopische machines. We bieden de fundamentele grens voor de hoeveelheid ergotropie die op deze manier uit de omgeving kan worden gehaald. De grens wordt uitgedrukt in termen van het niet-evenwichtsvrije energieverschil en kan verzadigd zijn in de limiet van de oneindige dimensie van de Hamiltoniaan van het systeem. Het ergotropie-extractieproces dat tot deze verzadiging leidt, wordt numeriek geanalyseerd voor eindig-dimensionale systemen. Bovendien passen we het idee van extractie van ergotropie uit de omgeving toe in een ontwerp van een nieuwe klasse slagwarmtemotoren, die we open-cyclusmotoren noemen. De efficiëntie en werkproductie van deze machines kunnen volledig worden geoptimaliseerd voor systemen met dimensie 2 en 3, en voor hogere dimensies is numerieke analyse beschikbaar.
► BibTeX-gegevens
► Referenties
[1] Åberg J. Echt werkachtige werkextractie via een single-shot-analyse. Natuurcommunicatie. 2013 juni; 4(1):1925. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1038/ncomms2712.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2712
[2] Seifert U. Eerste en tweede wet van de thermodynamica bij sterke koppeling. Phys ds. Lett. 2016 januari;116:020601. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.020601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.116.020601
[3] Strasberg P, Esposito M. Niet-Markovianiteit en productiesnelheden van negatieve entropie. Phys Rev E. 2019 jan; 99: 012120. Beschikbaar op: 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. De tweede wetten van de kwantumthermodynamica. Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen. 2015;112(11):3275-9. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1073/pnas.1411728112.
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1411728112
[5] Skrzypczyk P, Short AJ, Popescu S. Werkextractie en thermodynamica voor individuele kwantumsystemen. Natuur Communicatie. 2014;5(1):4185. Beschikbaar vanaf: https://doi.org/10.1038/ncomms5185.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5185
[6] Biswas T, Junior AdO, Horodecki M, Korzekwa K. Fluctuatie-dissipatierelaties voor thermodynamische destillatieprocessen. Phys Rev E. 2022 mei;105:054127. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.105.054127.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.105.054127
[7] Jarzynski C. Geen-evenwichtsgelijkheid voor vrije energieverschillen. Phys ds. Lett. 1997 april; 78: 2690-3. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.78.2690
[8] Esposito M, Harbola U, Mukamel S. Geen evenwichtsfluctuaties, fluctuatiestellingen en telstatistieken in kwantumsystemen. Rev Mod Phys. 2009 december; 81: 1665-702. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1665.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1665
[9] Campisi M, Hänggi P, Talkner P. Colloquium: Kwantumfluctuatierelaties: grondslagen en toepassingen. Rev Mod Phys. 2011 juli; 83: 771-91. Beschikbaar op: 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. Fluctuerend werk: van kwantumthermodynamische identiteiten tot een gelijkheid van de tweede wet. Phys Rev X. 2016 okt;6:041017. Beschikbaar vanaf: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.6.041017.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.041017
[11] Allahverdyan AE, Balian R, Nieuwenhuizen TM. Maximale werkextractie uit eindige kwantumsystemen. Europhysics-brieven (EPL). 2004 aug;67(4):565-71. Beschikbaar van:.
https: / / doi.org/ 10.1209 / EPL / i2004-10101-2
[12] Ruch E, Mead A. Het principe van het vergroten van het mengkarakter en enkele gevolgen daarvan. Theoretica chimica acta. 1976 april; 41: 042110. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1007/BF01178071.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01178071
[13] Alicki R, Fannes M. Verstrengelingsboost voor extraheerbaar werk uit ensembles van kwantumbatterijen. Fysieke beoordeling E. 2013 april; 87 (4). Beschikbaar op: 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: krachtig opladen van kwantumbatterijen. Nieuw tijdschrift voor natuurkunde. 2015 juli;17(7):075015. Beschikbaar op: 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, Vinjanampathy S, et al. Verbetering van het laadvermogen van Quantum-batterijen. Phys ds. Lett. 2017 april;118:150601. Beschikbaar op: 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. De energetische kosten van werkextractie. Phys ds. Lett. 2020 maart;124:130601. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.130601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.130601
[17] Hovhannisyan KV, Barra F, Imparato A. Opladen ondersteund door thermalisatie. Phys Rev-onderzoek. 2020 sep;2:033413. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.033413.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033413
[18] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Structuur van passieve toestanden en de implicaties ervan bij het opladen van kwantumbatterijen. Phys Rev E. 2020 augustus;102:022106. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.102.022106.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.102.022106
[19] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Gebonden aan ergotropische kloof voor bipartiete scheidbare staten. Phys Rev A. 2019 mei; 99: 052320. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.052320.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.052320
[20] Puliyil S, Banik M, Alimuddin M. Thermodynamische handtekeningen van echt meerdelige verstrengeling. Phys ds. Lett. 2022 augustus;129:070601. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.070601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.070601
[21] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Onafhankelijkheid van werk en entropie voor gelijk-energetische eindige kwantumsystemen: passieve toestandsenergie als verstrengelingskwantificator. Phys Rev E. 2020 juli;102:012145. Beschikbaar op: 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. Quantum Coherence en Ergotropy. Phys Rev Lett. 2020 okt;125:180603. Beschikbaar vanaf: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.180603.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.180603
[23] Sone A, Deffner S. Quantum en klassieke ergotropie van relatieve entropieën. Entropie. 2021;23(9). Beschikbaar op: https:///doi.org/10.3390/e23091107.
https: / / doi.org/ 10.3390 / e23091107
[24] Pusz W, Woronowicz SL. Passieve toestanden en KMS-toestanden voor algemene kwantumsystemen. Comm Wiskunde Fys. 1978;58(3):273-90. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1007/BF01614224.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01614224
[25] Sparaciari C, Jennings D, Oppenheim J. Energetische instabiliteit van passieve toestanden in de thermodynamica. Natuurcommunicatie. 2017 december;8(1):1895. Beschikbaar op: 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. Thermodynamica van Minimal Coupling Quantum Heat Engines. Quantum. 2020 dec;4:375. Verkrijgbaar via: https://doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375.
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375
[27] Łobejko M. De strakke tweede wet-ongelijkheid voor coherente kwantumsystemen en eindige warmtebaden. Natuur Communicatie. 2021 februari;12(1):918. Verkrijgbaar via: https://doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4
[28] Scovil HED, Schulz-DuBois EO. Masers op drie niveaus als warmtemotoren. Phys ds. Lett. 1959 maart; 2: 262-3. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.2.262.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.2.262
[29] Scully MO. Quantum Afterburner: verbetering van de efficiëntie van een ideale warmtemotor. Phys ds. Lett. 2002 januari; 88: 050602. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.050602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.88.050602
[30] Jacobs K. Kwantummeting en de eerste wet van de thermodynamica: De energiekosten van het meten zijn de werkwaarde van de verkregen informatie. Fysieke beoordeling E. 2012 okt;86(4). Beschikbaar op: 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. De rol van kwantuminformatie in de thermodynamica - een actueel overzicht. Journal of Physics A: wiskundig en theoretisch. 2016 februari;49(14):143001. Beschikbaar op: 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. Tweede wet van de thermodynamica onder controlebeperkingen. Fysieke beoordeling E. 2016 april; 93 (4). Beschikbaar op: 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. Sterke koppelingscorrecties in de kwantumthermodynamica. Phys ds. Lett. 2018 maart;120:120602. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.120602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.120602
[34] Alicki R. Het kwantumopen systeem als model van de warmtemotor. Journal of Physics A: Wiskundig en algemeen. 1979 mei;12(5):L103-7. Beschikbaar op: 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. De thermodynamische betekenis van negatieve entropie. Natuur. 2011 juni;474(7349):61-3. Beschikbaar van:.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10123
[36] Horodecki M, Horodecki P, Oppenheim J. Omkeerbare transformaties van pure naar gemengde toestanden en de unieke maatstaf voor informatie. Phys Rev A. 2003 juni; 67: 062104. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.67.062104.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.67.062104
[37] Horodecki M, Oppenheim J. Fundamentele beperkingen voor kwantum- en nanoschaal-thermodynamica. Natuur Communicatie. 2013;4(1):2059. Beschikbaar vanaf: https://doi.org/10.1038/ncomms3059.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3059
[38] Åberg J. Katalytische samenhang. Phys ds. Lett. 2014 okt;113:150402. Beschikbaar op: 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. Grenzen aan katalyse in de kwantumthermodynamica. Nieuw tijdschrift voor natuurkunde. 2015 aug;17(8):085004. Beschikbaar van:.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/8/085004
[40] Brunner N, Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. Virtuele qubits, virtuele temperaturen en de fundamenten van de thermodynamica. Phys Rev E. 2012 mei;85:051117. Verkrijgbaar via: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.85.051117.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.85.051117
[41] Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. De kleinst mogelijke warmtemotoren. arXiv:10106029. 2010. Beschikbaar op: 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. Een autonome kwantummachine om de thermodynamische pijl van de tijd te meten. npj Quantum-informatie. 2018 november; 4:59. Beschikbaar op: 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. Autonome rotorwarmtemotor. Phys Rev E. 2017 juni; 95: 062131. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.95.062131.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.95.062131
[44] Kosloff R, Levy A. Kwantumwarmtemotoren en koelkasten: continue apparaten. Jaaroverzicht van de fysische chemie. 2014;65(1):365-93. Beschikbaar op: 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. Concepten van werk in autonome kwantumwarmtemotoren. Quantum. 2019 okt;3:195. Beschikbaar op: 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 al. Spin-warmtemotor gekoppeld aan een harmonisch-oscillatorvliegwiel. Phys ds. Lett. 2019 augustus;123:080602. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.080602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.080602
[47] Singh V. Optimale werking van een kwantumwarmtemotor op drie niveaus en universele aard van efficiëntie. Phys Rev-onderzoek. 2020 november;2:043187. Beschikbaar op: 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. Oplader-gemedieerde energieoverdracht in exact oplosbare modellen voor kwantumbatterijen. Phys Rev B. 2018 november; 98: 205423. Beschikbaar op: 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. Extraheerbaar werk, de rol van correlaties en asymptotische vrijheid in kwantumbatterijen. Phys ds. Lett. 2019 februari;122:047702. Beschikbaar op: 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. Thermodynamische kosten van betrouwbaarheid en lage temperaturen: aanscherping van het principe van Landauer en de tweede wet. Int J Theor Phys. 2000 december;39(12):2717-53. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1023/A:1026422630734.
https: / / doi.org/ 10.1023 / A: 1026422630734
[51] Streater RF. Statistische dynamiek: een stochastische benadering van niet-evenwichtsthermodynamica (2e editie). Wereld wetenschappelijke uitgeverij; 2009. Beschikbaar op: https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ.
https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ
[52] Barra F. Dissipatief opladen van een kwantumbatterij. Fysieke beoordelingsbrieven. 2019 mei;122(21). Beschikbaar van:.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.210601
[53] Mazurek P, Horodecki M. Afbreekbaarheid en convexe structuur van thermische processen. Nieuw tijdschrift voor natuurkunde. 2018 mei;20(5):053040. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aac057.
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aac057
[54] Mazurek P. Thermische processen en haalbaarheid van de staat. Phys Rev A. 2019 april; 99: 042110. Beschikbaar op: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.042110.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.042110
Geciteerd door
[1] R. R. Rodriguez, B. Ahmadi, G. Suarez, P. Mazurek, S. Barzanjeh en P. Horodecki, “Optimale kwantumcontrole bij het opladen van kwantumbatterijen”, arXiv: 2207.00094.
Bovenstaande citaten zijn afkomstig van SAO / NASA ADS (laatst bijgewerkt met succes 2022-10-17 14:07:51). De lijst is mogelijk onvolledig omdat niet alle uitgevers geschikte en volledige citatiegegevens verstrekken.
Kon niet ophalen Door Crossref geciteerde gegevens tijdens laatste poging 2022-10-17 14:07:49: kon niet geciteerde gegevens voor 10.22331 / q-2022-10-17-841 niet ophalen van Crossref. Dit is normaal als de DOI recent is geregistreerd.
Dit artikel is gepubliceerd in Quantum onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationaal (CC BY 4.0) licentie. Het auteursrecht blijft berusten bij de oorspronkelijke houders van auteursrechten, zoals de auteurs of hun instellingen.
