Utvinning av ergotropi: gratis energibundet og bruk på åpne syklusmotorer

Publisert av Platon

Følgere: 0

Tanmoy Biswas¹, Marcin Łobejko¹, Paweł Mazurek¹, Konrad Jałowiecki², og Michał Horodecki¹

¹International Center for Theory of Quantum Technologies, University of Gdansk, Wita Stwosza 63, 80-308 Gdansk, Poland
²Institutt for teoretisk og anvendt informatikk, Polish Academy of Sciences, Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Polen

Finn dette papiret interessant eller vil diskutere? Scite eller legg igjen en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Termodynamikkens andre lov bruker endring i fri energi til makroskopiske systemer for å sette en grense for utført arbeid. Ergotropi spiller en lignende rolle i mikroskopiske scenarier, og er definert som den maksimale mengden energi som kan utvinnes fra et system ved en enhetlig operasjon. I denne analysen kvantifiserer vi hvor mye ergotropi som kan induseres på et system som et resultat av systemets interaksjon med et termisk bad, med et perspektiv på å bruke det som en kilde til arbeid utført av mikroskopiske maskiner. Vi gir den grunnleggende grensen for mengden ergotropi som kan utvinnes fra miljøet på denne måten. Grensen uttrykkes i form av den frie energiforskjellen uten likevekt og kan mettes i grensen for uendelig dimensjon til systemets Hamiltonian. Ergotropi-ekstraksjonsprosessen som fører til denne metningen blir numerisk analysert for endelige dimensjonale systemer. Videre bruker vi ideen om utvinning av ergotropi fra miljøet i et design av en ny klasse av slagvarmemotorer, som vi merker åpen syklusmotorer. Effektivitet og arbeidsproduksjon av disse maskinene kan optimaliseres fullstendig for systemer med dimensjon 2 og 3, og numerisk analyse er gitt for høyere dimensjoner.

► BibTeX-data

@artikkel{Biswas2022extractionof, doi = {10.22331/q-2022-10-17-841}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2022-10-17-841}, tittel = {Extraction of ergotropy: free energy bound and application to open cycle engines}, forfatter = {Biswas, Tanmoy og {L{}}obejko, Marcin og Mazurek, Pawe{l{}} og Ja{l{}}owiecki, Konrad og Horodecki, Micha{l{}}}, journal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, publisher = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in the Quantenwissenschaften}}, volum = {6}, sider = {841}, måned = okt, år = {2022} }

► Referanser

[1] Åberg J. Virkelig arbeidslignende arbeidsutvinning via en enkeltskuddsanalyse. Naturkommunikasjon. 2013 Jun;4(1):1925. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1038/ncomms2712.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2712

[2] Seifert U. Første og andre lov om termodynamikk ved sterk kobling. Phys Rev Lett. 2016 Jan;116:020601. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.020601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.116.020601

[3] Strasberg P, Esposito M. Ikke-markovianitet og negative entropi produksjonsrater. Phys Rev E. 2019 Jan;99:012120. Tilgjengelig fra: 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. Kvantetermodynamikkens andre lover. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2015;112(11):3275-9. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1073/pnas.1411728112.
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1411728112

[5] Skrzypczyk P, Short AJ, Popescu S. Arbeidsekstraksjon og termodynamikk for individuelle kvantesystemer. Naturkommunikasjon. 2014;5(1):4185. Tilgjengelig fra: https://doi.org/10.1038/ncomms5185.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5185

[6] Biswas T, Junior AdO, Horodecki M, Korzekwa K. Fluktuasjons-dissipasjonsrelasjoner for termodynamiske destillasjonsprosesser. Phys Rev E. 2022 May;105:054127. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.105.054127.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.105.054127

[7] Jarzynski C. Nonequilibrium Equality for Free Energy Differences. Phys Rev Lett. 1997 april;78:2690-3. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.78.2690

[8] Esposito M, Harbola U, Mukamel S. Ikke-likevektssvingninger, fluktuasjonsteoremer og tellestatistikk i kvantesystemer. Rev Mod Phys. 2009 Des;81:1665-702. Tilgjengelig fra: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1665.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1665

[9] Campisi M, Hänggi P, Talkner P. Kollokvium: Kvantefluktuasjonsforhold: Grunnlag og applikasjoner. Rev Mod Phys. 2011 jul;83:771-91. Tilgjengelig fra: 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. Fluctuating Work: From Quantum Termodynamical Identities to a Second Law Equality. Phys Rev X. 2016 okt;6:041017. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.6.041017.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.041017

[11] Allahverdyan AE, Balian R, Nieuwenhuizen TM. Maksimal arbeidsutvinning fra endelige kvantesystemer. Europhysics Letters (EPL). 2004 aug;67(4):565-71. Tilgjengelig fra:.
https: / / doi.org/ 10.1209 / EPL / i2004-10101-2

[12] Ruch E, Mead A. Prinsippet om å øke blandingskarakteren og noen av dets konsekvenser. Theoretica chimica acta. 1976 april;41:042110. Tilgjengelig fra: https://doi.org/10.1007/BF01178071.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01178071

[13] Alicki R, Fannes M. Entanglement boost for utvinnbart arbeid fra ensembler av kvantebatterier. Physical Review E. 2013 Apr;87(4). Tilgjengelig fra: 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: kraftig lading av kvantebatterier. New Journal of Physics. 2015 jul;17(7):075015. Tilgjengelig fra: 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. Forbedre ladekraften til kvantebatterier. Phys Rev Lett. 2017 april;118:150601. Tilgjengelig fra: 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. The Energetic Cost of Work Extraction. Phys Rev Lett. 2020 Mar;124:130601. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.130601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.130601

[17] Hovhannisyan KV, Barra F, Imparato A. Lading assistert av termalisering. Phys Rev Research. Sep 2020; 2:033413. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.033413.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033413

[18] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Struktur av passive tilstander og dens implikasjon i lading av kvantebatterier. Phys Rev E. 2020 Aug;102:022106. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.102.022106.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.102.022106

[19] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Bundet på ergotropisk gap for todelte separerbare tilstander. Phys Rev A. 2019 mai;99:052320. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.052320.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.052320

[20] Puliyil S, Banik M, Alimuddin M. Termodynamiske signaturer av genuint flerdelt sammenfiltring. Phys Rev Lett. 2022 aug;129:070601. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.070601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.070601

[21] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Uavhengighet av arbeid og entropi for like-energetiske endelige kvantesystemer: Passiv tilstandsenergi som en sammenfiltringskvantifiserer. Phys Rev E. 2020 Jul;102:012145. Tilgjengelig fra: 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 and Ergotropy. Phys Rev Lett. 2020 oktober;125:180603. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.180603.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.180603

[23] Sone A, Deffner S. Quantum and Classical Ergotropy from Relative Entropies. Entropi. 2021;23(9). Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.3390/e23091107.
https: / / doi.org/ 10.3390 / e23091107

[24] Pusz W, Woronowicz SL. Passive tilstander og KMS-tilstander for generelle kvantesystemer. Comm Math Phys. 1978;58(3):273-90. Tilgjengelig fra: https://doi.org/10.1007/BF01614224.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01614224

[25] Sparaciari C, Jennings D, Oppenheim J. Energetisk ustabilitet av passive tilstander i termodynamikk. Naturkommunikasjon. 2017 Des;8(1):1895. Tilgjengelig fra: 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. Thermodynamics of Minimal Coupling Quantum Heat Engines. Kvante. 2020 desember; 4:375. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375.
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375

[27] Łobejko M. Den stramme andre lovens ulikhet for sammenhengende kvantesystemer og varmebad i begrenset størrelse. Naturkommunikasjon. 2021 feb;12(1):918. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4

[28] Scovil HED, Schulz-DuBois EO. Tre-nivå Masere som varmemotorer. Phys Rev Lett. 1959 Mar;2:262-3. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.2.262.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.2.262

[29] Scully MO. Quantum Afterburner: Forbedrer effektiviteten til en ideell varmemotor. Phys Rev Lett. 2002 Jan;88:050602. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.050602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.88.050602

[30] Jacobs K. Kvantemåling og termodynamikkens første lov: Energikostnaden ved måling er arbeidsverdien til den innhentede informasjonen. Fysisk gjennomgang E. 2012 okt;86(4). Tilgjengelig fra: 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. Rollen til kvanteinformasjon i termodynamikk - en aktuell gjennomgang. Journal of Physics A: Matematisk og teoretisk. 2016 Feb;49(14):143001. Tilgjengelig fra: 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. Second law of thermodynamics under control restrictions. Fysisk gjennomgang E. 2016 apr;93(4). Tilgjengelig fra: 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. Strong Coupling Corrections in Quantum Thermodynamics. Phys Rev Lett. 2018 Mar;120:120602. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.120602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.120602

[34] Alicki R. Det kvante åpne systemet som en modell av varmemotoren. Journal of Physics A: Matematisk og generelt. 1979 mai;12(5):L103-7. Tilgjengelig fra: 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. Den termodynamiske betydningen av negativ entropi. Natur. 2011 jun;474(7349):61-3. Tilgjengelig fra:.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10123

[36] Horodecki M, Horodecki P, Oppenheim J. Reversible transformasjoner fra rene til blandede tilstander og det unike målet for informasjon. Phys Rev A. 2003 Jun;67:062104. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.67.062104.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.67.062104

[37] Horodecki M, Oppenheim J. Fundamentale begrensninger for kvante- og nanoskala termodynamikk. Naturkommunikasjon. 2013;4(1):2059. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1038/ncomms3059.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3059

[38] Åberg J. Catalytic Coherence. Phys Rev Lett. 2014 oktober;113:150402. Tilgjengelig fra: 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. Limits to catalysis in quantum thermodynamics. New Journal of Physics. 2015 aug;17(8):085004. Tilgjengelig fra:.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/8/085004

[40] Brunner N, Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. Virtuelle qubits, virtuelle temperaturer og grunnlaget for termodynamikk. Phys Rev E. 2012 mai;85:051117. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.85.051117.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.85.051117

[41] Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. De minste mulige varmemotorene. arXiv:10106029. 2010. Tilgjengelig fra: 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. En autonom kvantemaskin for å måle tidens termodynamiske pil. npj Kvanteinformasjon. Nov 2018; 4:59. Tilgjengelig fra: 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. Autonom rotorvarmemotor. Phys Rev E. 2017 Jun;95:062131. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.95.062131.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.95.062131

[44] Kosloff R, Levy A. Quantum Heat Engines and Refrigerators: Continuous Devices. Årlig gjennomgang av fysisk kjemi. 2014;65(1):365-93. Tilgjengelig fra: 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. Konsepter om arbeid i autonome kvantevarmemotorer. Kvante. oktober 2019; 3:195. Tilgjengelig fra: 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. Spinnvarmemotor koblet til et harmonisk-oscillator svinghjul. Phys Rev Lett. 2019 aug;123:080602. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.080602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.080602

[47] Singh V. Optimal drift av en tre-nivå kvantevarmemotor og universell effektivitet. Phys Rev Research. Nov 2020; 2:043187. Tilgjengelig fra: 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. Ladermediert energioverføring i nøyaktig løsbare modeller for kvantebatterier. Phys Rev B. 2018 Nov;98:205423. Tilgjengelig fra: 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, the Role of Correlations, and Asymptotic Freedom in Quantum Batteries. Phys Rev Lett. 2019 februar;122:047702. Tilgjengelig fra: 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. Termodynamiske kostnader for pålitelighet og lave temperaturer: Stramning av Landauers prinsipp og den andre loven. Int J Theor Phys. 2000 Des;39(12):2717-53. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1023/A:1026422630734.
https: / / doi.org/ 10.1023 / A: 1026422630734

[51] Streater RF. Statistical Dynamics: A Stokastic Approach To Nonequilibrium Thermodynamics (2. utgave). World Scientific Publishing Company; 2009. Tilgjengelig fra: https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ.
https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ

[52] Barra F. Dissipativ lading av et kvantebatteri. Fysiske gjennomgangsbrev. mai 2019;122(21). Tilgjengelig fra:.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.210601

[53] Mazurek P, Horodecki M. Nedbrytbarhet og konveks struktur av termiske prosesser. New Journal of Physics. mai 2018;20(5):053040. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aac057.
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aac057

[54] Mazurek P. Termiske prosesser og statlig oppnåbarhet. Phys Rev A. 2019 Apr;99:042110. Tilgjengelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.042110.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.042110

Sitert av

[1] RR Rodriguez, B. Ahmadi, G. Suarez, P. Mazurek, S. Barzanjeh og P. Horodecki, "Optimal Quantum Control of Charging Quantum Batteries", arxiv: 2207.00094.

Sitatene ovenfor er fra SAO / NASA ADS (sist oppdatert vellykket 2022-10-17 14:07:51). Listen kan være ufullstendig fordi ikke alle utgivere gir passende og fullstendige sitasjonsdata.

Kunne ikke hente Crossref sitert av data under siste forsøk 2022-10-17 14:07:49: Kunne ikke hente siterte data for 10.22331 / q-2022-10-17-841 fra Crossref. Dette er normalt hvis DOI nylig ble registrert.

Denne artikkelen er utgitt i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) tillatelse. Opphavsrett forblir hos de opprinnelige rettighetshaverne som forfatterne eller institusjonene deres.