Екстракція ерготропії: пов’язана вільна енергія та застосування до двигунів відкритого циклу

Перевидано Платоном

читають: 0

Танмой Бісвас¹, Марчін Лобейко¹, Павло Мазурек¹, Конрад Яловецький², і Міхал Городецький¹

¹Міжнародний центр теорії квантових технологій, Гданський університет, Wita Stwosza 63, 80-308 Гданськ, Польща
²Інститут теоретичної та прикладної інформатики Польської академії наук, Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Польща

Вам цей документ цікавий чи ви хочете обговорити? Скайте або залиште коментар на SciRate.

абстрактний

Другий закон термодинаміки використовує зміну вільної енергії макроскопічних систем для встановлення межі виконаної роботи. Ерготропія відіграє подібну роль у мікроскопічних сценаріях і визначається як максимальна кількість енергії, яку можна вилучити із системи за допомогою унітарної операції. У цьому аналізі ми кількісно визначаємо, наскільки ерготропія може бути викликана системою в результаті взаємодії системи з термальною ванною з перспективою використання її як джерела роботи, що виконується мікроскопічними машинами. Ми надаємо фундаментальну межу кількості ерготропії, яку можна вилучити з навколишнього середовища таким чином. Межа виражається через нерівноважну різницю вільної енергії та може бути насиченою в межах нескінченної розмірності гамільтоніана системи. Процес екстракції ерготропії, що призводить до цього насичення, чисельно проаналізовано для скінченномірних систем. Крім того, ми застосовуємо ідею вилучення ерготропії з навколишнього середовища в дизайні нового класу тактових теплових двигунів, які ми називаємо двигунами відкритого циклу. Ефективність і продуктивність цих машин можуть бути повністю оптимізовані для систем розмірності 2 і 3, а для вищих розмірів надається числовий аналіз.

► Дані BibTeX

@article{Biswas2022extractionof, doi = {10.22331/q-2022-10-17-841}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2022-10-17-841}, title = {Вилучення ерготропії: пов’язана вільна енергія та застосування до двигунів відкритого циклу}, автор = {Бісвас, Танмой і {Л{}}обейко, Марцін і Мазурек, Паве{l{}} і Я{л{}}овєцький, Конрад і Городецький, Міха{l{}}}, журнал = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, видавець = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, обсяг = {6}, сторінки = {841}, місяць = жовтень, рік = {2022} }

► Список літератури

[1] Åberg J. Справді схоже на роботу вилучення роботи за допомогою однократного аналізу. Комунікації природи. Червень 2013;4(1):1925. Доступно з: https:///doi.org/10.1038/ncomms2712.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2712

[2] Сейферт У. Перший і другий закони термодинаміки при сильному зв'язку. Phys Rev Lett. Січень 2016;116:020601. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.020601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.116.020601

[3] Страсберг П., Еспозіто М. Немарковщина та негативні темпи виробництва ентропії. Phys Rev E. 2019 Січень; 99: 012120. Доступно з: 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. Другі закони квантової термодинаміки. Праці Національної академії наук. 2015;112(11):3275-9. Доступно з: https:///doi.org/10.1073/pnas.1411728112.
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1411728112

[5] Skrzypczyk P, Short AJ, Popescu S. Вилучення роботи та термодинаміка для окремих квантових систем. Комунікації природи. 2014; 5 (1): 4185. Доступно з: https:///doi.org/10.1038/ncomms5185.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5185

[6] Biswas T, Junior AdO, Horodecki M, Korzekwa K. Флуктуаційно-дисипаційні співвідношення для процесів термодинамічної дистиляції. Phys Rev E. 2022, травень; 105:054127. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.105.054127.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.105.054127

[7] Jarzynski C. Нерівноважна рівність для різниць вільної енергії. Phys Rev Lett. 1997 квіт.;78:2690-3. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.78.2690

[8] Еспозіто М, Харбола У, Мукамель С. Нерівноважні флуктуації, флуктуаційні теореми та статистика підрахунку в квантових системах. Rev Mod Phys. 2009 грудень;81:1665-702. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1665.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1665

[9] Campisi M, Hänggi P, Talkner P. Колоквіум: Квантові флуктуаційні співвідношення: основи та застосування. Rev Mod Phys. 2011 Липень;83:771-91. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.83.771.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.83.771

[10] Альгамбра А.М., Масанес Л., Оппенгейм Дж., Перрі С. Флуктуаційна робота: від квантових термодинамічних тотожностей до рівності другого закону. Phys Rev X. 2016 жовтень; 6:041017. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.6.041017.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.041017

[11] Аллахвердян AE, Balian R, Nieuwenhuizen TM. Вилучення максимальної роботи зі скінченних квантових систем. Єврофізичні листи (EPL). 2004 серпень;67(4):565-71. Доступний з:.
https:///doi.org/10.1209/epl/i2004-10101-2

[12] Ruch E, Mead A. Принцип збільшення характеру змішування та деякі його наслідки. Theoretica chimica acta. 1976 Квітень;41:042110. Доступно з: https:///doi.org/10.1007/BF01178071.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01178071

[13] Alicki R, Fannes M. Посилення заплутаності для витягуваної роботи з ансамблів квантових батарей. Physical Review E. 2013, квітень; 87 (4). Доступно з: 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: потужна зарядка квантових батарей. Новий журнал фізики. 2015 лип;17(7):075015. Доступно з: 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 та ін. Підвищення зарядної потужності батарей Quantum. Phys Rev Lett. Квітень 2017; 118: 150601. Доступно з: 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 Energy Cost of Work Extraction. Phys Rev Lett. 2020 Березень;124:130601. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.130601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.130601

[17] Ованесян К.В., Барра Ф., Імпарато А. Зарядка за допомогою термалізації. Phys Rev Research. 2020 вересня; 2:033413. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.033413.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033413

[18] Алімуддін М, Гуха Т, Парашар П. Структура пасивних станів і її вплив на зарядку квантових батарей. Phys Rev E. 2020, серпень; 102:022106. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.102.022106.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.102.022106

[19] Алімуддін М, Гуха Т, Парашар П. Обмеження ерготропного розриву для двосторонніх роздільних станів. Phys Rev A. 2019, травень; 99: 052320. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.052320.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.052320

[20] Puliyil S, Banik M, Alimuddin M. Термодинамічні ознаки справжнього багатостороннього заплутування. Phys Rev Lett. 2022 серпень; 129:070601. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.070601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.070601

[21] Алімуддін М, Гуха Т, Парашар П. Незалежність роботи та ентропії для рівноенергетичних кінцевих квантових систем: енергія пасивного стану як квантор заплутаності. Phys Rev E. 2020 Липень;102:012145. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.102.012145.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.102.012145

[22] Франсіка Г., Біндер Ф.К., Гварнієрі Г., Мітчісон М.Т., Гулд Дж., Пластіна Ф. Квантова когерентність та ерготропія. Phys Rev Lett. 2020 Жовтень;125:180603. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.180603.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.180603

[23] Соне А, Деффнер С. Квантова та класична ерготропія від відносної ентропії. Ентропія. 2021; 23 (9). Доступно з: https:///doi.org/10.3390/e23091107.
https:///doi.org/10.3390/e23091107

[24] Pusz W, Woronowicz SL. Пасивні стани та стани KMS для загальних квантових систем. Comm Math Phys. 1978;58(3):273-90. Доступно з: https:///doi.org/10.1007/BF01614224.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01614224

[25] Sparaciari C, Jennings D, Oppenheim J. Енергетична нестабільність пасивних станів у термодинаміці. Комунікації природи. 2017 грудень;8(1):1895. Доступно з: 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. Термодинаміка квантових теплових двигунів з мінімальним зв’язком. Квантова. 2020 груд.; 4:375. Доступно за посиланням: https:///doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375.
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375

[27] Łobejko M. Жорстка нерівність другого закону для когерентних квантових систем і теплових ванн кінцевого розміру. Комунікації природи. Лютий 2021;12(1):918. Доступно з: https:///doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4

[28] Scovil HED, Schulz-DuBois EO. Трирівневі мазери як теплові двигуни. Phys Rev Lett. 1959 Березень; 2: 262-3. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.2.262.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.2.262

[29] Скаллі МО. Квантова система допалювання: підвищення ефективності ідеального теплового двигуна. Phys Rev Lett. Січень 2002 р.;88:050602. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.050602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.88.050602

[30] Джейкобс К. Квантові вимірювання та перший закон термодинаміки: Енергетична вартість вимірювання - це значення роботи отриманої інформації. Physical Review E. 2012 Жовтень;86(4). Доступно з: 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. Роль квантової інформації в термодинаміці — актуальний огляд. Журнал фізики А: мат.-теор. 2016 Лютий;49(14):143001. Доступно з: 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. Другий закон термодинаміки за обмежень контролю. Physical Review E. 2016 Apr;93(4). Доступно з: 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 Березень;120:120602. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.120602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.120602

[34] Alicki R. Квантова відкрита система як модель теплової машини. Журнал фізики А: Математичний і заг. 1979, травень; 12 (5): L103-7. Доступно з: 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. Термодинамічне значення негативної ентропії. природа Червень 2011;474(7349):61-3. Доступний з:.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10123

[36] Городецький М, Городецький П, Оппенгейм Дж. Оборотні перетворення від чистих до змішаних станів і унікальна міра інформації. Phys Rev A. 2003, червень; 67:062104. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.67.062104.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.67.062104

[37] Horodecki M, Oppenheim J. Фундаментальні обмеження для квантової та нанорозмірної термодинаміки. Комунікації природи. 2013;4(1):2059. Доступно з: https:///doi.org/10.1038/ncomms3059.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3059

[38] Оберг Дж. Каталітична когерентність. Phys Rev Lett. 2014 Жовтень;113:150402. Доступно з: 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. Обмеження каталізу в квантовій термодинаміці. Новий журнал фізики. 2015 серпень;17(8):085004. Доступний з:.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/8/085004

[40] Brunner N, Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. Віртуальні кубіти, віртуальні температури та основи термодинаміки. Phys Rev E. 2012, травень; 85: 051117. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.85.051117.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.85.051117

[41] Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. Найменші можливі теплові двигуни. arXiv:10106029. 2010. Доступно з: 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. Автономна квантова машина для вимірювання термодинамічної стріли часу. npj Квантова інформація. Листопад 2018; 4:59. Доступно з: 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. Автономний роторний тепловий двигун. Phys Rev E. 2017, червень; 95: 062131. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.95.062131.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.95.062131

[44] Kosloff R, Levy A. Квантові теплові двигуни та холодильники: безперервні пристрої. Річний огляд фізичної хімії. 2014;65(1):365-93. Доступно з: 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. Концепції роботи в автономних квантових теплових двигунах. Квантова. 2019 Жовтень;3:195. Доступно з: https:///doi.org/10.22331/q-2019-10-14-195.
https://doi.org/10.22331/q-2019-10-14-195

[46] von Lindenfels D, Grab O, Schmiegelow CT, Kaushal V, Schulz J, Mitchison MT, et al. Обертовий тепловий двигун, з’єднаний з маховиком гармонічного осцилятора. Phys Rev Lett. 2019 серпень;123:080602. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.080602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.080602

[47] Сінгх В. Оптимальна робота трирівневої квантової теплової машини та універсальний характер ефективності. Phys Rev Research. Листопад 2020 р.; 2:043187. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.043187.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.043187

[48] Андоліна Г.М., Фаріна Д., Марі А., Пеллегріні В., Джованетті В., Поліні М. Передача енергії, опосередкована зарядним пристроєм, у точно розв’язуваних моделях для квантових батарей. Phys Rev B. 2018 Листопад;98:205423. Доступно з: 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 Лютий;122:047702. Доступно з: 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. Thermodynamic Cost of Reliability and Low Temperatures: Tightening Landauer's Principle and the Second Law. Int J Theor Phys. 2000 груд.;39(12):2717-53. Доступно з: https:///doi.org/10.1023/A:1026422630734.
https:///doi.org/10.1023/A:1026422630734

[51] Streater РФ. Статистична динаміка: стохастичний підхід до нерівноважної термодинаміки (2-е видання). Всесвітня наукова видавнича компанія; 2009. Доступно з: https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ.
https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ

[52] Барра Ф. Дисипативна зарядка квантової батареї. Оглядові листи фізичних осіб. 2019 травень;122(21). Доступний з:.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.210601

[53] Мазурек П., Городецький М. Розкладність і опукла структура теплових процесів. Новий журнал фізики. 2018 травень;20(5):053040. Доступно з: https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aac057.
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aac057

[54] Мазурек П. Теплові процеси та досяжність стану. Phys Rev A. 2019 квіт.;99:042110. Доступно з: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.042110.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.042110

Цитується

[1] RR Rodriguez, B. Ahmadi, G. Suarez, P. Mazurek, S. Barzanjeh і P. Horodecki, «Оптимальний квантовий контроль заряджання квантових батарей», arXiv: 2207.00094.

Вищезазначені цитати від SAO / NASA ADS (останнє оновлення успішно 2022-10-17 14:07:51). Список може бути неповним, оскільки не всі видавці надають відповідні та повні дані про цитування.

Не вдалося отримати Перехресне посилання, наведене за даними під час останньої спроби 2022-10-17 14:07:49: Не вдалося отримати цитовані дані для 10.22331/q-2022-10-17-841 з Crossref. Це нормально, якщо DOI був зареєстрований нещодавно.

Ця стаття опублікована в Quantum під Creative Commons Attribution 4.0 International (CC на 4.0) ліцензія. Авторське право залишається за оригінальними власниками авторських прав, такими як автори або їх установи.