Ekstraktion af ergotropi: fri energi bundet og anvendelse til åbne cyklusmotorer

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 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, Polen
²Institut for Teoretisk og Anvendt Informatik, Polish Academy of Sciences, Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Polen

Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Termodynamikkens anden lov bruger ændringer i fri energi i makroskopiske systemer til at sætte en grænse for udført arbejde. Ergotropi spiller en lignende rolle i mikroskopiske scenarier og er defineret som den maksimale mængde energi, der kan udvindes fra et system ved en enhedsoperation. I denne analyse kvantificerer vi, hvor meget ergotropi, der kan induceres på et system som følge af systemets interaktion med et termisk bad, med et perspektiv om at bruge det som en kilde til arbejde udført af mikroskopiske maskiner. Vi giver den grundlæggende grænse for mængden af ergotropi, som kan udvindes fra miljøet på denne måde. Grænsen udtrykkes i form af den frie energiforskel uden ligevægt og kan være mættet i grænsen for uendelig dimension af systemets Hamiltonian. Ergotropi-ekstraktionsprocessen, der fører til denne mætning, analyseres numerisk for finitdimensionelle systemer. Desuden anvender vi ideen om udvinding af ergotropi fra miljøet i et design af en ny klasse af slagvarmemotorer, som vi mærker open-cycle motorer. Effektivitet og arbejdsproduktion af disse maskiner kan optimeres fuldstændigt til systemer med dimension 2 og 3, og numerisk analyse er tilvejebragt for højere dimensioner.

► BibTeX-data

@article{Biswas2022extractionof, doi = {10.22331/q-2022-10-17-841}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2022-10-17-841}, titel = {Udtrækning af ergotropi: fri energi bundet og anvendelse på motorer med åben cyklus}, 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}, udgiver = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in the Quantenwissenschaften}}, volumen = {6}, sider = {841}, måned = okt, år = {2022} }

► Referencer

[1] Åberg J. Virkelig arbejdslignende arbejdsudvinding via en enkeltskudsanalyse. Naturkommunikation. 2013 Jun;4(1):1925. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1038/ncomms2712.
https:///doi.org/10.1038/ncomms2712

[2] Seifert U. Første og anden lov om termodynamik ved stærk kobling. Phys Rev Lett. 2016 Jan;116:020601. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.020601.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.020601

[3] Strasberg P, Esposito M. Produktionshastigheder for ikke-Markovianitet og negative entropi. Phys Rev E. 2019 Jan;99:012120. Tilgængelig 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 anden love. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2015;112(11):3275-9. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1073/pnas.1411728112.
https:///doi.org/10.1073/pnas.1411728112

[5] Skrzypczyk P, Short AJ, Popescu S. Arbejdsekstraktion og termodynamik for individuelle kvantesystemer. Naturkommunikation. 2014;5(1):4185. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1038/ncomms5185.
https:///doi.org/10.1038/ncomms5185

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

[7] Jarzynski C. Nonebalance Equality for Free Energy Differences. Phys Rev Lett. 1997 Apr;78:2690-3. Tilgængelig 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-ligevægtsfluktuationer, fluktuationssætninger og tællestatistikker i kvantesystemer. Rev Mod Phys. 2009 Dec;81:1665-702. Tilgængelig 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: Kvanteudsvingsforhold: Fundamenter og applikationer. Rev Mod Phys. 2011 Jul;83:771-91. Tilgængelig 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. Fluktuerende arbejde: Fra kvantetermodynamiske identiteter til en anden lovlighed. Phys Rev X. 2016 okt;6:041017. Tilgængelig 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 arbejdsudvinding fra endelige kvantesystemer. Europhysics Letters (EPL). 2004 aug;67(4):565-71. Ledig fra:.
https://doi.org/10.1209/epl/i2004-10101-2

[12] Ruch E, Mead A. Princippet om at øge blandingskarakteren og nogle af dets konsekvenser. Theoretica chimica acta. 1976 Apr;41:042110. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1007/BF01178071.
https:///doi.org/10.1007/BF01178071

[13] Alicki R, Fannes M. Entanglement boost for udvindeligt arbejde fra ensembler af kvantebatterier. Fysisk gennemgang E. 2013 apr;87(4). Tilgængelig 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 opladning af kvantebatterier. New Journal of Physics. 2015 jul;17(7):075015. Tilgængelig 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. Forbedring af opladningseffekten af kvantebatterier. Phys Rev Lett. 2017 Apr;118:150601. Tilgængelig 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. De energiske omkostninger ved arbejdsudvinding. Phys Rev Lett. 2020 Mar;124:130601. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.130601.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.130601

[17] Hovhannisyan KV, Barra F, Imparato A. Opladning assisteret af termalisering. Phys Rev Research. Sep 2020; 2:033413. Tilgængelig 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 af passive tilstande og dens implikation i opladning af kvantebatterier. Phys Rev E. 2020 Aug;102:022106. Tilgængelig 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 kløft for todelte adskillelige tilstande. Phys Rev A. 2019 maj;99:052320. Tilgængelig 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 af ægte flerdelt sammenfiltring. Phys Rev Lett. 2022 Aug;129:070601. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.070601.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.070601

[21] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Uafhængighed af arbejde og entropi for lige-energetiske endelige kvantesystemer: Passiv tilstandsenergi som en sammenfiltringskvantifier. Phys Rev E. 2020 Jul;102:012145. Tilgængelig 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. Tilgængelig 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). Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.3390/e23091107.
https:///doi.org/10.3390/e23091107

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

[25] Sparaciari C, Jennings D, Oppenheim J. Energetisk ustabilitet af passive tilstande i termodynamik. Naturkommunikation. 2017 Dec;8(1):1895. Tilgængelig 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. Termodynamik af Minimal Coupling Quantum Heat Engines. Kvante. Dec 2020; 4:375. Tilgængelig 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 Anden Lov-ulighed for sammenhængende kvantesystemer og varmebade i endelig størrelse. Naturkommunikation. 2021 Feb;12(1):918. Tilgængelig 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-niveau Masere som varmemotorer. Phys Rev Lett. 1959 Mar; 2:262-3. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.2.262.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.2.262

[29] Scully MO. Quantum Afterburner: Forbedring af effektiviteten af en ideel varmemotor. Phys Rev Lett. 2002 Jan;88:050602. Tilgængelig 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: Energiomkostningerne ved måling er arbejdsværdien af den opnåede information. Fysisk gennemgang E. 2012 okt;86(4). Tilgængelig 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. Kvanteinformationens rolle i termodynamik - en aktuel gennemgang. Journal of Physics A: Matematisk og teoretisk. 2016 Feb;49(14):143001. Tilgængelig 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. Anden lov om termodynamik under kontrolrestriktioner. Fysisk gennemgang E. 2016 apr;93(4). Tilgængelig 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. Stærke koblingskorrektioner i kvantetermodynamik. Phys Rev Lett. 2018 Mar;120:120602. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.120602.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.120602

[34] Alicki R. Det kvante åbne system som en model af varmemotoren. Journal of Physics A: Matematisk og generelt. 1979 maj;12(5):L103-7. Tilgængelig 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 betydning af negativ entropi. Natur. 2011 jun;474(7349):61-3. Ledig fra:.
https:///doi.org/10.1038/nature10123

[36] Horodecki M, Horodecki P, Oppenheim J. Reversible transformationer fra rene til blandede tilstande og det unikke mål for information. Phys Rev A. 2003 Jun;67:062104. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.67.062104.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.67.062104

[37] Horodecki M, Oppenheim J. Fundamentale begrænsninger for kvante- og nanoskala termodynamik. Naturkommunikation. 2013;4(1):2059. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1038/ncomms3059.
https:///doi.org/10.1038/ncomms3059

[38] Åberg J. Katalytisk sammenhæng. Phys Rev Lett. 2014 okt;113:150402. Tilgængelig 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. Grænser for katalyse i kvantetermodynamik. New Journal of Physics. 2015 aug;17(8):085004. Ledig 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 grundlaget for termodynamik. Phys Rev E. 2012 maj;85:051117. Tilgængelig 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 mindst mulige varmemotorer. arXiv:10106029. 2010. Tilgængelig 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 kvantemaskine til at måle tidens termodynamiske pil. npj Kvanteinformation. Nov 2018; 4:59. Tilgængelig 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. Tilgængelig 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 gennemgang af fysisk kemi. 2014;65(1):365-93. Tilgængelig 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. Begreber om arbejde i autonome kvantevarmemotorer. Kvante. Okt 2019; 3:195. Tilgængelig 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. Spin Heat Engine koblet til et harmonisk-oscillator svinghjul. Phys Rev Lett. 2019 Aug;123:080602. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.080602.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.080602

[47] Singh V. Optimal drift af en tre-niveaus kvantevarmemotor og universel effektivitet. Phys Rev Research. Nov 2020; 2:043187. Tilgængelig 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. Ladermedieret energioverførsel i præcist opløselige modeller til kvantebatterier. Phys Rev B. 2018 Nov;98:205423. Tilgængelig 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 Rolle of Correlations, and Asymptotic Freedom in Quantum Batteries. Phys Rev Lett. 2019 feb;122:047702. Tilgængelig 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 omkostninger ved pålidelighed og lave temperaturer: Stramning af Landauers princip og den anden lov. Int J Theor Phys. 2000 Dec;39(12):2717-53. Tilgængelig 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. udgave). World Scientific Publishing Company; 2009. Tilgængelig fra: https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ.
https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ

[52] Barra F. Dissipativ opladning af et kvantebatteri. Fysiske anmeldelsesbreve. maj 2019;122(21). Ledig fra:.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.210601

[53] Mazurek P, Horodecki M. Nedbrydelighed og konveks struktur af termiske processer. New Journal of Physics. maj 2018;20(5):053040. Tilgængelig fra: https://doi.org/10.1088/1367-2630/aac057.
https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aac057

[54] Mazurek P. Termiske processer og statsopnåelighed. Phys Rev A. 2019 Apr;99:042110. Tilgængelig fra: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.042110.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.042110

Citeret af

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

Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2022-10-17 14:07:51). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.

Kunne ikke hente Crossref citeret af data under sidste forsøg 2022-10-17 14:07:49: Kunne ikke hente citerede data for 10.22331/q-2022-10-17-841 fra Crossref. Dette er normalt, hvis DOI blev registreret for nylig.

Dette papir er udgivet i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Ophavsretten forbliver hos de originale copyright-indehavere, såsom forfatterne eller deres institutioner.