1Międzynarodowe Centrum Teorii Technologii Kwantowych, Uniwersytet Gdański, Wita Stwosza 63, 80-308 Gdańsk, Polska
2Instytut Informatyki Teoretycznej i Stosowanej PAN, ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice
Czy ten artykuł jest interesujący czy chcesz dyskutować? Napisz lub zostaw komentarz do SciRate.
Abstrakcyjny
Druga zasada termodynamiki wykorzystuje zmianę energii swobodnej układów makroskopowych do ustalenia granic wykonywanej pracy. Ergotropia odgrywa podobną rolę w scenariuszach mikroskopowych i jest definiowana jako maksymalna ilość energii, którą można wydobyć z systemu przez jednolitą operację. W tej analizie określamy ilościowo, jak dużą ergotropię można wywołać w układzie w wyniku oddziaływania układu z kąpielą termalną, z perspektywą wykorzystania jej jako źródła pracy wykonywanej przez mikroskopijne maszyny. Podajemy podstawowe ograniczenie ilości ergotropii, którą można w ten sposób wydobyć ze środowiska. Granica jest wyrażona w postaci nierównowagowej różnicy energii swobodnej i może być nasycona w granicy nieskończonego wymiaru hamiltonianu układu. Proces ekstrakcji ergotropii prowadzący do tego nasycenia jest analizowany numerycznie dla układów o skończonych wymiarach. Ponadto ideę ekstrakcji ergotropii ze środowiska stosujemy w projekcie nowej klasy silników cieplnych udarowych, które nazywamy silnikami cyklu otwartego. Wydajność i wydajność pracy tych maszyn można całkowicie zoptymalizować dla systemów o wymiarach 2 i 3, a dla wyższych wymiarów przewidziana jest analiza numeryczna.
► Dane BibTeX
► Referencje
[1] Åberg J. Ekstrakcja pracy przypominająca pracę za pomocą analizy jednokrotnej. Komunikacja przyrodnicza. 2013 czerwiec;4(1):1925. Dostępne na: https:///doi.org/10.1038/ncomms2712.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2712
[2] Seifert U. Pierwsza i druga zasada termodynamiki przy silnym sprzężeniu. Phys Rev Lett. 2016 styczeń; 116:020601. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.020601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.116.020601
[3] Strasberg P, Esposito M. Wskaźniki produkcji niemarkowianowości i ujemnej entropii. Phys Rev E. 2019 Sty;99:012120. Dostępne na: 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. Drugie zasady termodynamiki kwantowej. Materiały Narodowej Akademii Nauk. 2015;112(11):3275-9. Dostępne na: https:///doi.org/10.1073/pnas.1411728112.
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1411728112
[5] Skrzypczyk P, Short AJ, Popescu S. Ekstrakcja pracy i termodynamika dla poszczególnych układów kwantowych. Komunikacja przyrodnicza. 2014;5(1):4185. Dostępne na: https:///doi.org/10.1038/ncomms5185.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5185
[6] Biswas T, Junior AdO, Horodecki M, Korzekwa K. Relacje fluktuacja-dyssypacja dla termodynamicznych procesów destylacji. Phys Rev E. 2022 maj;105:054127. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.105.054127.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.105.054127
[7] Jarzynski C. Równość nierównowagi dla różnic energii swobodnej. Phys Rev Lett. 1997 kwiecień;78:2690-3. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2690.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.78.2690
[8] Esposito M, Harbola U, Mukamel S. Fluktuacje nierównowagowe, twierdzenia o fluktuacjach i statystyka liczenia w układach kwantowych. Rev Mod Phys. 2009 grudzień;81:1665-702. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1665.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1665
[9] Campisi M, Hänggi P, Talkner P. Kolokwium: Relacje fluktuacji kwantowych: Fundamenty i zastosowania. Rev Mod Phys. 2011 Lip;83:771-91. Dostępne na: 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. Praca zmienna: od kwantowych tożsamości termodynamicznych do równości drugiego prawa. Phys Rev X. 2016 Październik;6:041017. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.6.041017.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.041017
[11] Allahverdyan AE, Balian R, Nieuwenhuizen TM. Maksymalna ekstrakcja pracy ze skończonych układów kwantowych. Litery Eurofizyki (EPL). 2004 sierpień;67(4):565-71. Dostępne od:.
https: / / doi.org/ 10.1209 / epl / i2004-10101-2
[12] Ruch E, Miód pitny A. Zasada zwiększania charakteru mieszania i niektóre jego konsekwencje. Theoretica chimica acta. Kwiecień 1976; 41:042110. Dostępne na: https:///doi.org/10.1007/BF01178071.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01178071
[13] Alicki R, Fannes M. Wzmocnienie splątania dla pracy możliwej do ekstrakcji z zespołów baterii kwantowych. Przegląd fizyczny E. 2013 kwiecień;87(4). Dostępne na: 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: potężne ładowanie baterii kwantowych. Nowy Dziennik Fizyki. Lipiec 2015;17(7):075015. Dostępne na: 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 i in. Zwiększanie mocy ładowania baterii Quantum. Phys Rev Lett. 2017 kwiecień; 118:150601. Dostępne na: 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. Koszt energetyczny ekstrakcji pracy. Phys Rev Lett. 2020 marca; 124:130601. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.130601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.130601
[17] Hovhannisyan KV, Barra F, Imparato A. Ładowanie wspomagane przez termizację. Badania fizyki. 2020 wrzesień; 2:033413. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.033413.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.033413
[18] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Struktura stanów pasywnych i jej znaczenie w ładowaniu baterii kwantowych. Phys Rev E. 2020 sierpień;102:022106. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.102.022106.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.102.022106
[19] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Związany na przerwie ergotropowej dla dwudzielnych stanów rozdzielnych. Phys Rev A. 2019 maj;99:052320. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.052320.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.052320
[20] Puliyil S, Banik M, Alimuddin M. Podpisy termodynamiczne prawdziwie wieloczęściowego splątania. Phys Rev Lett. 2022 sierpień;129:070601. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.070601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.070601
[21] Alimuddin M, Guha T, Parashar P. Niezależność pracy i entropii dla równoenergetycznych skończonych układów kwantowych: Energia stanu pasywnego jako kwantyfikator splątania. Phys Rev E. 2020 Lip;102:012145. Dostępne na: 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. Spójność kwantowa i ergotropia. Phys Rev Lett. 2020 Październik;125:180603. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.180603.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.180603
[23] Sone A, Deffner S. Quantum i Classical Ergotropia z Entropii Relatywnych. Entropia. 2021;23(9). Dostępne na: https:///doi.org/10.3390/e23091107.
https: / / doi.org/ 10.3390 / e23091107
[24] Pusz W, Woronowicz SL. Stany pasywne i stany KMS dla ogólnych układów kwantowych. Comm Matematyka Fizyka. 1978;58(3):273-90. Dostępne na: https:///doi.org/10.1007/BF01614224.
https: / / doi.org/ 10.1007 / BF01614224
[25] Sparaciari C, Jennings D, Oppenheim J. Niestabilność energetyczna stanów pasywnych w termodynamice. Komunikacja przyrodnicza. 2017 grudzień;8(1):1895. Dostępne na: 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. Termodynamika minimalnie sprzężonych kwantowych silników cieplnych. Kwant. 2020 grudzień;4:375. Dostępne na: https:///doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375.
https://doi.org/10.22331/q-2020-12-23-375
[27] Łobejko M. Ciasna nierówność drugiego prawa dla koherentnych układów kwantowych i skończonych kąpieli cieplnych. Komunikacja przyrodnicza. 2021 lutego; 12(1):918. Dostępne na: https:///doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-21140-4
[28] Scovil HED, Schulz-DuBois EO. Masery trójpoziomowe jako silniki cieplne. Phys Rev Lett. 1959 marzec; 2:262-3. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.2.262.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.2.262
[29] Scully MO. Dopalacz kwantowy: poprawa wydajności idealnego silnika cieplnego. Phys Rev Lett. 2002 styczeń;88:050602. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.050602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.88.050602
[30] Jacobs K. Pomiar kwantowy i pierwsza zasada termodynamiki: Koszt energetyczny pomiaru jest wartością pracy uzyskanej informacji. Przegląd fizyczny E. 2012 Październik;86(4). Dostępne na: 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. Rola informacji kwantowej w termodynamice – przegląd tematyczny. Journal of Physics A: Matematyczne i teoretyczne. 2016 Luty;49(14):143001. Dostępne na: 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. Druga zasada termodynamiki pod kontrolą ograniczeń. Przegląd fizyczny E. 2016 kwiecień;93(4). Dostępne na: 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. Silne poprawki sprzężenia w termodynamice kwantowej. Phys Rev Lett. 2018 mar;120:120602. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.120602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.120602
[34] Alicki R. Kwantowy układ otwarty jako model silnika cieplnego. Journal of Physics A: Matematyczne i ogólne. 1979 maj;12(5):L103-7. Dostępne na: 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. Termodynamiczne znaczenie entropii ujemnej. Natura. 2011 cze;474(7349):61-3. Dostępne od:.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature10123
[36] Horodecki M, Horodecki P, Oppenheim J. Odwracalne transformacje od stanów czystych do mieszanych i unikalna miara informacji. Phys Rev A. 2003 czerwiec;67:062104. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.67.062104.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.67.062104
[37] Horodecki M, Oppenheim J. Podstawowe ograniczenia termodynamiki kwantowej i nanoskalowej. Komunikacja przyrodnicza. 2013;4(1):2059. Dostępne na: https:///doi.org/10.1038/ncomms3059.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3059
[38] Åberg J. Catalytic Coherence. Phys Rev Lett. 2014 Paź; 113:150402. Dostępne na: 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. Granice katalizy w termodynamice kwantowej. Nowy Dziennik Fizyki. 2015 sierpień;17(8):085004. Dostępne od:.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/8/085004
[40] Brunner N, Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. Wirtualne kubity, wirtualne temperatury i podstawy termodynamiki. Phys Rev E. 2012 maj;85:051117. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.85.051117.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.85.051117
[41] Linden N, Popescu S, Skrzypczyk P. Najmniejsze możliwe silniki cieplne. arXiv: 10106029. 2010. Dostępne na: 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. Autonomiczna maszyna kwantowa do pomiaru termodynamicznej strzałki czasu. npj Informacje kwantowe. 2018 Lis;4:59. Dostępne na: 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. Autonomiczny wirnikowy silnik cieplny. Phys Rev E. 2017 czerwiec;95:062131. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevE.95.062131.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevE.95.062131
[44] Kosloff R, Levy A. Silniki cieplne kwantowe i lodówki: urządzenia ciągłe. Roczny przegląd chemii fizycznej. 2014;65(1):365-93. Dostępne na: 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. Koncepcje pracy w autonomicznych kwantowych silnikach cieplnych. Kwant. 2019 paź;3:195. Dostępne na: 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. Obrotowy silnik cieplny sprzężony z kołem zamachowym oscylatora harmonicznego. Phys Rev Lett. 2019 sie;123:080602. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.080602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.080602
[47] Singh V. Optymalna praca trzystopniowego kwantowego silnika cieplnego i uniwersalny charakter wydajności. Badania fizyki. 2020 listopad;2:043187. Dostępne na: 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. Transfer energii za pośrednictwem ładowarki w dokładnie rozwiązywalnych modelach dla baterii kwantowych. Phys Rev B. 2018 Listopad;98:205423. Dostępne na: 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. Praca ekstrakcyjna, rola korelacji i asymptotyczna wolność w bateriach kwantowych. Phys Rev Lett. 2019 lut;122:047702. Dostępne na: 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. Termodynamiczny koszt niezawodności i niskie temperatury: Zaostrzenie zasady Landauera i drugie prawo. Int J Teor Fiz. 2000 grudzień;39(12):2717-53. Dostępne na: https:///doi.org/10.1023/A:1026422630734.
https: / / doi.org/ 10.1023 / A: 1026422630734
[51] Radiostacja radiowa. Dynamika statystyczna: Stochastyczne podejście do termodynamiki nierównowagi (wydanie drugie). Światowa Wydawnictwo Naukowe; 2. Dostępne na: https:///books.google.pl/books?id=Is2009DwAAQBAJ.
https:///books.google.pl/books?id=Is42DwAAQBAJ
[52] Barra F. Rozpraszające ładowanie baterii kwantowej. Fizyczne listy kontrolne. 2019 maj; 122(21). Dostępne od:.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.122.210601
[53] Mazurek P, Horodecki M. Rozkładalność i wypukła struktura procesów termicznych. Nowy Dziennik Fizyki. 2018 maj;20(5):053040. Dostępne na: https:///doi.org/10.1088/1367-2630/aac057.
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aac057
[54] Mazurek P. Procesy cieplne i stan osiągalności. Phys Rev A. 2019 kwiecień;99:042110. Dostępne na: https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.042110.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.042110
Cytowany przez
[1] RR Rodriguez, B. Ahmadi, G. Suarez, P. Mazurek, S. Barzanjeh i P. Horodecki, „Optymalna kontrola kwantowa ładowania baterii kwantowych”, arXiv: 2207.00094.
Powyższe cytaty pochodzą z Reklamy SAO / NASA (ostatnia aktualizacja pomyślnie 2022-10-17 14:07:51). Lista może być niekompletna, ponieważ nie wszyscy wydawcy podają odpowiednie i pełne dane cytowania.
Nie można pobrać Przywołane przez Crossref dane podczas ostatniej próby 2022-10-17 14:07:49: Nie można pobrać cytowanych danych dla 10.22331 / q-2022-10-17-841 z Crossref. Jest to normalne, jeśli DOI zostało niedawno zarejestrowane.
Niniejszy artykuł opublikowano w Quantum pod Creative Commons Uznanie autorstwa 4.0 Międzynarodowe (CC BY 4.0) licencja. Prawa autorskie należą do pierwotnych właścicieli praw autorskich, takich jak autorzy lub ich instytucje.
