1Международный центр теории квантовых технологий, Университет Гданьска, Wita Stwosza 63, 80-308 Gdansk, Poland
2Институт теоретической и прикладной информатики Польской академии наук, Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Польша
Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.
Абстрактные
Второй закон термодинамики использует изменение свободной энергии макроскопических систем для ограничения выполняемой работы. Эрготропия играет аналогичную роль в микроскопических сценариях и определяется как максимальное количество энергии, которое может быть извлечено из системы за одну операцию. В этом анализе мы количественно определяем, какая эрготропия может быть вызвана системой в результате взаимодействия системы с термальной ванной с перспективой использования ее в качестве источника работы, выполняемой микроскопическими машинами. Мы даем фундаментальную границу количества эрготропии, которое можно извлечь из окружающей среды таким образом. Граница выражается через неравновесную разность свободных энергий и может быть насыщена в пределе бесконечной размерности гамильтониана системы. Процесс извлечения эрготропии, приводящий к такому насыщению, численно анализируется для конечномерных систем. Кроме того, мы применяем идею извлечения эрготропии из окружающей среды в конструкции нового класса ударных тепловых двигателей, которые мы называем двигателями открытого цикла. Эффективность и производительность этих машин могут быть полностью оптимизированы для систем размерностей 2 и 3, а для более высоких размерностей предусмотрен численный анализ.
► Данные BibTeX
► Рекомендации
[1] Оберг Дж. Извлечение работы, действительно похожее на работу, с помощью однократного анализа. Связь с природой. 2013 июнь; 4 (1): 1925. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1038/ncomms2712.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2712
[2] Зейферт У. Первый и второй закон термодинамики при сильной связи. Phys Rev Lett. 2016 Январь; 116:020601. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.020601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.116.020601
[3] Страсберг П., Эспозито М. Немарковианство и отрицательные темпы производства энтропии. Phys Rev E. 2019 Jan; 99:012120. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.99.012120.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.99.012120
[4] Брандао Ф., Городецки М., Нг Н., Оппенгейм Дж., Венер С. Вторые законы квантовой термодинамики. Труды Национальной академии наук. 2015;112(11):3275-9. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1073/pnas.1411728112.
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1411728112
[5] Скшипчик П., Шорт А.Дж., Попеску С. Извлечение работы и термодинамика для индивидуальных квантовых систем. Связь с природой. 2014;5(1):4185. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1038/ncomms5185.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5185
[6] Бисвас Т., Младший АдО, Городецкий М., Корзеква К. Соотношения флуктуации-диссипации для процессов термодинамической дистилляции. Phys Rev E. 2022 May; 105:054127. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.105.054127.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.105.054127
[7] Jarzynski C. Неравновесное равенство для разностей свободной энергии. Phys Rev Lett. 1997 Апрель; 78: 2690-3. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.78.2690
[8] Эспозито М., Харбола У., Мукамель С. Неравновесные флуктуации, флуктуационные теоремы и статистика подсчета в квантовых системах. Ред. Мод. физ. 2009 декабрь; 81: 1665-702. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1665.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1665
[9] Камписи М., Хэнги П., Толкнер П. Коллоквиум: Квантовые флуктуационные отношения: основы и приложения. Ред. Мод. физ. 2011 июль; 83: 771-91. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.83.771.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.83.771
[10] Альгамбра А.М., Масанес Л., Оппенгейм Дж., Перри С. Колеблющаяся работа: от квантовых термодинамических тождеств до второго закона равенства. Phys Rev X. 2016 Oct;6:041017. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.6.041017.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.041017
[11] Аллахвердян А.Е., Балиан Р., Ньювенхуизен Т.М. Максимальное извлечение работы из конечных квантовых систем. Письма Еврофизики (EPL). 2004 авг; 67 (4): 565-71. Доступна с:.
https: / / doi.org/ 10.1209 / EPL / i2004-10101-2
[12] Руч Э., Мид А. Принцип повышения характера смешения и некоторые его следствия. Теоретика химика акта. 1976 апр; 41:042110. Доступно по ссылке: https://doi.org/10.1007/BF01178071.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01178071
[13] Алики Р., Фаннес М. Повышение запутанности для извлечения работы из ансамблей квантовых батарей. Physical Review E. 2013, апрель 87(4). Доступно по адресу: http:///doi.org/10.1103/PhysRevE.87.042123.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.87.042123
[14] Биндер Ф.С., Винджанампати С., Моди К., Гулд Дж. Quantacell: мощная зарядка квантовых батарей. Новый журнал физики. 2015 июль;17(7):075015. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1088/1367-2630/17/7/075015.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/7/075015
[15] Кампайоли Ф., Поллок Ф.А., Биндер Ф.К., Селери Л., Гулд Дж., Винджанампати С. и др. Повышение зарядной мощности квантовых батарей. Phys Rev Lett. 2017 апрель; 118:150601. Доступно по адресу: 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. Энергетическая стоимость извлечения работы. Phys Rev Lett. 2020 март; 124:130601. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.130601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.130601
[17] Ованнисян К.В., Барра Ф., Импарато А. Зарядка с помощью термализации. Phys Rev Research. 2020 сен;2:033413. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.033413.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033413
[18] Алимуддин М., Гуха Т., Парашар П. Структура пассивных состояний и ее значение для зарядки квантовых батарей. Phys Rev E. 2020 Aug; 102:022106. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.102.022106.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.102.022106
[19] Алимуддин М., Гуха Т., Парашар П. Граница эрготропной щели для двудольных сепарабельных состояний. Phys Rev A. 2019 May; 99:052320. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.052320.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.052320
[20] Пулиил С., Баник М., Алимуддин М. Термодинамические признаки подлинно многочастной запутанности. Phys Rev Lett. 2022 авг;129:070601. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.070601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.070601
[21] Алимуддин М., Гуха Т., Парашар П. Независимость работы и энтропии для конечных квантовых систем с равной энергией: энергия пассивного состояния как квантор запутанности. Phys Rev E. 2020 июль; 102:012145. Доступно по адресу: 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. Квантовая когерентность и эрготропия. Phys Rev Lett. 2020 Окт;125:180603. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.180603.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.180603
[23] Соне А., Деффнер С. Квантовая и классическая эрготропия на основе относительных энтропий. Энтропия. 2021;23(9). Доступно по адресу: https:///doi.org/10.3390/e23091107.
https: / / doi.org/ 10.3390 / e23091107
[24] Пуш В., Воронович С.Л. Пассивные состояния и состояния KMS для общих квантовых систем. Комм. Матем. физ. 1978;58(3):273-90. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1007/BF01614224.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01614224
[25] Спарасиари С., Дженнингс Д., Оппенгейм Дж. Энергетическая неустойчивость пассивных состояний в термодинамике. Связь с природой. 2017 Декабрь;8(1):1895. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1038/s41467-017-01505-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-017-01505-4
[26] Лобейко М., Мазурек П., Городецкий М. Термодинамика квантовых тепловых двигателей с минимальной связью. Квант. 2020 дек;4:375. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375.
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375
[27] Лобейко М. Жесткое неравенство второго закона для когерентных квантовых систем и термостатов конечного размера. Связь с природой. 2021 Февраль;12(1):918. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4
[28] Scovil HED, Шульц-Дюбуа Э.О. Трехуровневые мазеры как тепловые двигатели. Phys Rev Lett. 1959 март; 2:262-3. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.2.262.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.2.262
[29] Скалли МО. Квантовая форсажная камера: повышение эффективности идеальной тепловой машины. Phys Rev Lett. 2002 янв; 88:050602. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.050602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.88.050602
[30] Джейкобс К. Квантовое измерение и первый закон термодинамики: Энергетическая стоимость измерения - это рабочая ценность полученной информации. Physical Review E. 2012 Oct;86(4). Доступно по адресу: http:///doi.org/10.1103/PhysRevE.86.040106.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.86.040106
[31] Гулд Дж., Хубер М., Риера А., Рио Л.д., Скшипчик П. Роль квантовой информации в термодинамике — актуальный обзор. Журнал физики A: математический и теоретический. 2016 Февраль;49(14):143001. Доступно по адресу: http:///doi.org/10.1088/1751-8113/49/14/143001.
https://doi.org/10.1088/1751-8113/49/14/143001
[32] Уилминг Х., Гальего Р., Эйзерт Дж. Второй закон термодинамики при ограничениях управления. Physical Review E. 2016, апрель; 93(4). Доступно по адресу: http:///doi.org/10.1103/PhysRevE.93.042126.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.93.042126
[33] Перарнау-Льобет М., Уилминг Х., Риера А., Гальего Р., Эйзерт Дж. Поправки на сильную связь в квантовой термодинамике. Phys Rev Lett. 2018 март;120:120602. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.120602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.120602
[34] Алики Р. Квантовая открытая система как модель теплового двигателя. Журнал физики A: математический и общий. 1979 май; 12(5):L103-7. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1088/0305-4470/12/5/007.
https://doi.org/10.1088/0305-4470/12/5/007
[35] дель Рио Л., Оберг Дж., Реннер Р., Дальстен О., Ведрал В. Термодинамическое значение отрицательной энтропии. Природа. 2011 июнь;474(7349):61-3. Доступна с:.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10123
[36] Городецкий М., Городецкий П., Оппенгейм Дж. Обратимые преобразования из чистых состояний в смешанные и уникальная мера информации. Phys Rev A. 2003 Jun; 67:062104. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.67.062104.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.67.062104
[37] Городецкий М., Оппенгейм Дж. Фундаментальные ограничения квантовой и наномасштабной термодинамики. Связь с природой. 2013;4(1):2059. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1038/ncomms3059.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3059
[38] Оберг Дж. Каталитическая когерентность. Phys Rev Lett. 2014 Октябрь;113:150402. Доступно по адресу: 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. Пределы катализа в квантовой термодинамике. Новый журнал физики. 2015 авг;17(8):085004. Доступна с:.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/8/085004
[40] Бруннер Н., Линден Н., Попеску С., Скшипчик П. Виртуальные кубиты, виртуальные температуры и основы термодинамики. Phys Rev E. 2012 May; 85:051117. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.85.051117.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.85.051117
[41] Линден Н., Попеску С., Скшипчик П. Минимально возможные тепловые двигатели. архив: 10106029. 2010. Доступно по адресу: 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. Автономная квантовая машина для измерения термодинамической стрелы времени. npj Квантовая информация. 2018 ноябрь;4:59. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1038/s41534-018-0109-8.
https://doi.org/10.1038/s41534-018-0109-8
[43] Руле А., Ниммрихтер С., Арразола Дж. М., Сих С., Скарани В. Тепловая машина с автономным ротором. Phys Rev E. 2017 Jun; 95:062131. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.95.062131.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.95.062131
[44] Кослофф Р., Леви А. Квантовые тепловые двигатели и холодильники: устройства непрерывного действия. Ежегодный обзор физической химии. 2014;65(1):365-93. Доступно по адресу: 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. Принципы работы автономных квантовых тепловых двигателей. Квант. 2019 Окт;3:195. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.22331/q-2019-10-14-195.
https://doi.org/10.22331/q-2019-10-14-195
[46] фон Линденфельс Д., Грэб О., Шмигелов К.Т., Каушал В., Шульц Дж., Митчисон М.Т. и соавт. Спиновая тепловая машина, соединенная с маховиком гармонического осциллятора. Phys Rev Lett. 2019 авг;123:080602. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.080602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.080602
[47] Сингх В. Оптимальная работа трехуровневой квантовой тепловой машины и универсальный характер эффективности. Phys Rev Research. 2020 ноябрь;2:043187. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.043187.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.043187
[48] Андолина Г.М., Фарина Д., Мари А., Пеллегрини В., Джованнетти В., Полини М. Перенос энергии с помощью зарядного устройства в точно решаемых моделях квантовых батарей. Phys Rev B. 2018 Nov; 98:205423. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevB.98.205423.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.98.205423
[49] Андолина Г.М., Кек М., Мари А., Кампизи М., Джованнетти В., Полини М. Извлекаемая работа, роль корреляций и асимптотическая свобода в квантовых батареях. Phys Rev Lett. 2019 фев; 122:047702. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.047702.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.047702
[50] Янцинг Д., Вочан П., Зейер Р., Гейсс Р., Бет Т. Термодинамическая стоимость надежности и низких температур: ужесточение принципа Ландауэра и второго закона. Int J Theor Phys. 2000 декабрь; 39 (12): 2717-53. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1023/A:1026422630734.
https: / / doi.org/ 10.1023 / A: 1026422630734
[51] Стритер РФ. Статистическая динамика: стохастический подход к неравновесной термодинамике (2-е издание). Всемирная научная издательская компания; 2009. Доступно по ссылке: https://books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ.
https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ
[52] Барра Ф. Диссипативный заряд квантовой батареи. Письма о физическом обзоре. 2019 май;122(21). Доступна с:.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.210601
[53] Мазурек П., Городецкий М. Разложимость и выпуклая структура тепловых процессов. Новый журнал физики. 2018 май;20(5):053040. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aac057.
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aac057
[54] Мазурек П. Тепловые процессы и достижимость состояний. Phys Rev A. 2019 Apr; 99:042110. Доступно по адресу: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.042110.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.042110
Цитируется
[1] RR Rodriguez, B. Ahmadi, G. Suarez, P. Mazurek, S. Barzanjeh, and P. Horodecki, «Оптимальное квантовое управление зарядкой квантовых батарей», Arxiv: 2207.00094.
Приведенные цитаты из САО / НАСА ADS (последнее обновление успешно 2022-10-17 14:07:51). Список может быть неполным, поскольку не все издатели предоставляют подходящие и полные данные о цитировании.
Не удалось получить Перекрестная ссылка на данные во время последней попытки 2022-10-17 14:07:49: Не удалось получить цитируемые данные для 10.22331 / q-2022-10-17-841 от Crossref. Это нормально, если DOI был зарегистрирован недавно.
Эта статья опубликована в Quantum под Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) лицензия. Авторское право остается за первоначальными правообладателями, такими как авторы или их учреждения.
