Extraktion av ergotropi: fri energibunden och applicering på motorer med öppen cykel

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Tanmoy Biswas¹, Marcin Łobejko¹, Paweł Mazurek¹, Konrad Jałowiecki²och Michał Horodecki¹

¹International Center for Theory of Quantum Technologies, University of Gdansk, Wita Stwosza 63, 80-308 Gdansk, Poland
²Institutet för teoretisk och tillämpad informatik, Polska vetenskapsakademin, Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Polen

Hitta det här uppsatsen intressant eller vill diskutera? Scite eller lämna en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Termodynamikens andra lag använder förändring i fri energi i makroskopiska system för att sätta en gräns för utfört arbete. Ergotropi spelar en liknande roll i mikroskopiska scenarier och definieras som den maximala mängd energi som kan utvinnas från ett system genom en enhetlig operation. I denna analys kvantifierar vi hur mycket ergotropi som kan induceras på ett system som ett resultat av systemets interaktion med ett termiskt bad, med ett perspektiv att använda det som en källa till arbete utfört av mikroskopiska maskiner. Vi tillhandahåller den grundläggande gränsen för mängden ergotropi som kan utvinnas från miljön på detta sätt. Gränsen uttrycks i termer av skillnaden i icke-jämviktsfri energi och kan mättas i gränsen för oändlig dimension av systemets Hamiltonian. Ergotropi-extraktionsprocessen som leder till denna mättnad analyseras numeriskt för finita dimensionella system. Dessutom tillämpar vi idén om utvinning av ergotropi från miljön i en design av en ny klass av slagvärmemotorer, som vi betecknar öppencykelmotorer. Effektivitet och arbetsproduktion av dessa maskiner kan optimeras helt för system med dimensionerna 2 och 3, och numerisk analys tillhandahålls för högre dimensioner.

► BibTeX-data

@artikel{Biswas2022extractionof, doi = {10.22331/q-2022-10-17-841}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2022-10-17-841}, title = {Extrahering of ergotropy: free energy bound and application to open cycle engines}, författare = {Biswas, Tanmoy och {L{}}obejko, Marcin och Mazurek, Pawe{l{}} och Ja{l{}}owiecki, Konrad och Horodecki, Micha{l{}}}, journal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, utgivare = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, volym = {6}, sidor = {841}, månad = okt, år = {2022} }

► Referenser

[1] Åberg J. Verkligen arbetsliknande arbetsextraktion via en engångsanalys. Naturkommunikation. 2013 Jun;4(1):1925. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1038/ncomms2712.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2712

[2] Seifert U. Termodynamikens första och andra lag vid stark koppling. Phys Rev Lett. 2016 Jan;116:020601. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.020601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.116.020601

[3] Strasberg P, Esposito M. Produktionshastigheter för icke-markovianitet och negativ entropi. Phys Rev E. 2019 Jan;99:012120. Tillgänglig från: 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. Kvanttermodynamikens andra lagar. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2015;112(11):3275-9. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1073/pnas.1411728112.
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1411728112

[5] Skrzypczyk P, Short AJ, Popescu S. Arbetsextraktion och termodynamik för individuella kvantsystem. Naturkommunikation. 2014;5(1):4185. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1038/ncomms5185.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5185

[6] Biswas T, Junior AdO, Horodecki M, Korzekwa K. Fluktuations-dissipationsförhållanden för termodynamiska destillationsprocesser. Phys Rev E. 2022 May;105:054127. Tillgänglig från: 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 apr;78:2690-3. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.78.2690

[8] Esposito M, Harbola U, Mukamel S. Nonequilibrium fluktuationer, fluktuationssatser och räknestatistik i kvantsystem. Rev Mod Phys. 2009 Dec;81:1665-702. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1665.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1665

[9] Campisi M, Hänggi P, Talkner P. Kollokvium: Kvantfluktuationsrelationer: Grunder och tillämpningar. Rev Mod Phys. 2011 jul;83:771-91. Tillgänglig från: 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. Fluktuerande arbete: Från kvanttermodynamiska identiteter till en andra laglikhet. Phys Rev X. 2016 okt;6:041017. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.6.041017.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.041017

[11] Allahverdyan AE, Balian R, Nieuwenhuizen TM. Maximal arbetsutvinning från finita kvantsystem. Europhysics Letters (EPL). 2004 aug;67(4):565-71. Tillgänglig från:.
https: / / doi.org/ 10.1209 / EPL / i2004-10101-2

[12] Ruch E, Mead A. Principen att öka blandningskaraktären och några av dess konsekvenser. Theoretica chimica acta. 1976 apr;41:042110. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1007/BF01178071.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01178071

[13] Alicki R, Fannes M. Entanglement boost för extraherbart arbete från ensembler av kvantbatterier. Fysisk granskning E. 2013 apr;87(4). Tillgänglig från: 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: kraftfull laddning av kvantbatterier. New Journal of Physics. 2015 jul;17(7):075015. Tillgänglig från: 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. Förbättra laddningskraften hos kvantbatterier. Phys Rev Lett. 2017 apr;118:150601. Tillgänglig från: 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. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.130601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.130601

[17] Hovhannisyan KV, Barra F, Imparato A. Laddning assisterad av termalisering. Phys Rev Research. 2020 sep; 2:033413. Tillgänglig från: 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 passiva tillstånd och dess implikation vid laddning av kvantbatterier. Phys Rev E. 2020 Aug;102:022106. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.102.022106.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.102.022106

[19] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Bound on ergotropic gap for bipartite separable states. Phys Rev A. 2019 maj;99:052320. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.052320.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.052320

[20] Puliyil S, Banik M, Alimuddin M. Termodynamiska signaturer av genuint multipartite entanglement. Phys Rev Lett. 2022 aug;129:070601. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.070601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.070601

[21] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Oberoende av arbete och entropi för lika-energetiska finita kvantsystem: passivt tillståndsenergi som en entanglement kvantifierare. Phys Rev E. 2020 Jul;102:012145. Tillgänglig från: 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 okt;125:180603. Tillgänglig från: 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). Tillgänglig från: https:///doi.org/10.3390/e23091107.
https: / / doi.org/ 10.3390 / e23091107

[24] Pusz W, Woronowicz SL. Passiva tillstånd och KMS-tillstånd för allmänna kvantsystem. Comm Math Phys. 1978;58(3):273-90. Tillgänglig från: https://doi.org/10.1007/BF01614224.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01614224

[25] Sparaciari C, Jennings D, Oppenheim J. Energetisk instabilitet av passiva tillstånd i termodynamik. Naturkommunikation. 2017 Dec;8(1):1895. Tillgänglig från: 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. Termodynamik hos minimala kopplingskvantvärmemotorer. Kvant. 2020 dec; 4:375. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375.
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375

[27] Łobejko M. Den snäva andra lagens ojämlikhet för koherenta kvantsystem och värmebad av ändlig storlek. Naturkommunikation. 2021 feb;12(1):918. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4

[28] Scovil HED, Schulz-DuBois EO. Trenivåmasrar som värmemotorer. Phys Rev Lett. 1959 Mar; 2:262-3. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.2.262.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.2.262

[29] Scully MO. Quantum Afterburner: Förbättrar effektiviteten hos en idealisk värmemotor. Phys Rev Lett. 2002 Jan;88:050602. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.050602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.88.050602

[30] Jacobs K. Kvantmätning och termodynamikens första lag: Energikostnaden för mätning är arbetsvärdet för den inhämtade informationen. Fysisk granskning E. 2012 okt;86(4). Tillgänglig från: 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. Kvantinformationens roll i termodynamiken - en aktuell översyn. Journal of Physics A: Matematisk och teoretisk. 2016 feb;49(14):143001. Tillgänglig från: 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. Termodynamikens andra lag under kontrollbegränsningar. Fysisk granskning E. 2016 apr;93(4). Tillgänglig från: 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. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.120602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.120602

[34] Alicki R. Det kvantöppna systemet som en modell av värmemotorn. Journal of Physics A: Mathematical and General. 1979 maj;12(5):L103-7. Tillgänglig från: 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 termodynamiska betydelsen av negativ entropi. Natur. 2011 jun;474(7349):61-3. Tillgänglig från:.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10123

[36] Horodecki M, Horodecki P, Oppenheim J. Reversibla transformationer från rena till blandade tillstånd och det unika måttet på information. Phys Rev A. 2003 Jun;67:062104. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.67.062104.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.67.062104

[37] Horodecki M, Oppenheim J. Grundläggande begränsningar för termodynamik i kvant- och nanoskala. Naturkommunikation. 2013;4(1):2059. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1038/ncomms3059.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3059

[38] Åberg J. Catalytic Coherence. Phys Rev Lett. 2014 okt;113:150402. Tillgänglig från: 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. Gränser för katalys i kvanttermodynamik. New Journal of Physics. 2015 aug;17(8):085004. Tillgänglig från:.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/8/085004

[40] Brunner N, Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. Virtuella qubits, virtuella temperaturer och grunderna för termodynamiken. Phys Rev E. 2012 maj;85:051117. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.85.051117.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.85.051117

[41] Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. Minsta möjliga värmemotorer. arXiv:10106029. 2010. Tillgänglig från: 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 kvantmaskin för att mäta tidens termodynamiska pil. npj Kvantinformation. 2018 nov;4:59. Tillgänglig från: 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 rotorvärmemotor. Phys Rev E. 2017 Jun;95:062131. Tillgänglig från: 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 översyn av fysikalisk kemi. 2014;65(1):365-93. Tillgänglig från: 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. Koncept för arbete i autonoma kvantvärmemotorer. Kvant. 2019 oktober; 3:195. Tillgänglig från: 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 Heat Engine kopplad till ett harmonisk-oscillatorsvänghjul. Phys Rev Lett. 2019 aug;123:080602. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.080602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.080602

[47] Singh V. Optimal drift av en kvantvärmemotor med tre nivåer och universell effektivitet. Phys Rev Research. 2020 Nov; 2:043187. Tillgänglig från: 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. Laddarförmedlad energiöverföring i exakt lösbara modeller för kvantbatterier. Phys Rev B. 2018 Nov;98:205423. Tillgänglig från: 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 feb;122:047702. Tillgänglig från: 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. Termodynamisk kostnad för tillförlitlighet och låga temperaturer: skärpning av Landauers princip och den andra lagen. Int J Theor Phys. 2000 Dec;39(12):2717-53. Tillgänglig från: 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 (2nd Edition). World Scientific Publishing Company; 2009. Tillgänglig från: https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ.
https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ

[52] Barra F. Dissipativ laddning av ett kvantbatteri. Fysiska granskningsbrev. 2019 maj;122(21). Tillgänglig från:.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.210601

[53] Mazurek P, Horodecki M. Nedbrytbarhet och konvex struktur av termiska processer. New Journal of Physics. 2018 maj;20(5):053040. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aac057.
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aac057

[54] Mazurek P. Termiska processer och tillståndsuppnåbarhet. Phys Rev A. 2019 Apr;99:042110. Tillgänglig från: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.042110.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.042110

Citerad av

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

Ovanstående citat är från SAO / NASA ADS (senast uppdaterad framgångsrikt 2022-10-17 14:07:51). Listan kan vara ofullständig eftersom inte alla utgivare tillhandahåller lämpliga och fullständiga citatdata.

Det gick inte att hämta Crossref citerade data under senaste försöket 2022-10-17 14:07:49: Det gick inte att hämta citerade data för 10.22331 / q-2022-10-17-841 från Crossref. Detta är normalt om DOI registrerades nyligen.

Detta papper publiceras i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Upphovsrätten kvarstår med de ursprungliga upphovsrättsinnehavarna som författarna eller deras institutioner.