[論文レビュー] Collective operation of quantum heat machines via coherence recycling, and coherence induced reversibility

Raam Uzdin|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2015

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 29

ひとこと要約

本稿では、共鳴抽出（CE）および共鳴注入（CI）を用いたコheren‐ス再利用によって、N台のエンジンに対して2次式の仕事スケーリングと強化された可逆性を達成する集団的量子熱機械を提案する。非相互作用のエンジンが協同的にコヒーレンスを抽出・再分配することで、個々のユニットよりもN倍の仕事を得るとともに、N倍の可逆性を達成する。外部のコヒーレンス貯蔵を必要としない、共生的な量子熱力学的状態を実証した。

ABSTRACT

Collective behavior where a set of elements interact and generate effects that are beyond the reach of the individual non interacting elements, are always of great interest in physics. Quantum collective effects that have no classical analogue are even more intriguing. In this work we show how to construct collective quantum heat machines and explore their performance boosts with respect to regular machines. Without interactions between the machines the individual units operate in a stochastic, non-quantum manner. The construction of the collective machine becomes possible by introducing two simple quantum operations: coherence extraction and coherence injection. Together these operations can harvest coherence from one engine and use it to boost the performance of a slightly different engine. For weakly driven engines we show that the collective work output scales quadratically with the number of engines rather than linearly. Eventually, the boost saturates and the scaling becomes linear. Nevertheless, even in saturation, work is still significantly boosted compared to individual operation. To study the reversibility of the collective machine we introduce the 'entropy pollution' measure. It is shown that there is a regime where the collective machine is N times more reversible while producing N times more work, compared to the individual operation of N units. Moreover, the collective machine can even be more reversible than the most reversible unit in the collective. This high level of reversibility becomes possible due to a special symbiotic mechanism between engine pairs.

研究の動機と目的

• 個々の性能限界を超える集団的量子効果が熱機械に及ぼす影響を調査すること。
• 熱化を超えたコヒーレンスが、どのように仕事出力と可逆性を向上させるかを検討すること。
• 外部のコヒーレンス貯蔵を一切用いずに、熱バスと古典的駆動のみを用いて集団的動作を実現するメカニズムを開発すること。
• ある種のエンジンが他の種のエンジンの動作を可能にするとともに全体のエントロピー汚染を低減する、異なるエンジン種間の共生的関係を示すこと。
• 完全な熱化がコヒーレンスを破壊するという古典的認識に挑戦し、集団的機械において熱化とコヒーレンスが共存することを示すこと。

提案手法

• コヒーレンス抽出（CE）は、エンジン間の完全なスワップ操作を用いて実装され、エンタングルメントとエントロピー汚染を最小限に抑える。
• コヒーレンス注入（CI）は、制御スワップ操作を用いて事前に存在するコヒーレンスをターゲットエンジンに注入し、性能を向上させる。
• 集団的機械は、N台のエンジンにわたるCEとCIの同期をとることで動作し、ユニット間の熱的・仕事的交換なしに、コヒーレントなエネルギー移動を可能にする。
• システムは、熱バスと古典的駆動場を伴う開放量子系としてモデル化され、動的挙動はマコビアンマスター方程式に従う。
• エントロピー汚染は、全状態の相対エントロピーを用いて定量化され、サイクルごとの不可逆性と情報損失を測定する。
• 性能は、仕事出力、効率、可逆性の指標を用いて分析され、Nの関数としてのスケーリング行動が検討される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の量子熱機械にわたってコヒーレンスを抽出・再利用することで、個々の性能を超える集団的仕事出力を達成できるか？
• RQ2 コヒーレンス再利用は量子熱機械の可逆性にどのように影響し、アンサンブル内のいかなる個々のエンジンよりも高い可逆性を達成できるか？
• RQ3 コヒーレンスを集団的に再利用する場合、仕事出力のスケーリング行動はエンジン数Nに対してどのように変化するか？
• RQ4 異なるエンジン種間において、ある種が他の種の動作を可能にするとともに全体のエントロピー生成を低減する共生的関係が成立するか？
• RQ5 個々のエンジンがすでに可逆限界に近い状態で動作している場合でも、集団的機械が個々のエンジンよりも高い可逆性と仕事出力を達成できるか？

主な発見

• 弱い駆動の下では、集団的仕事出力はエンジン数Nに対して2次式にスケーリングされ、個々の動作における線形スケーリングに比べ顕著な性能向上を示す。
• 飽和状態に達しても、集団的機械は個々のユニットよりも顕著に高い仕事を出力し、持続的な性能向上を示している。
• 集団的機械は、N台のユニットを個別に動作させた場合に比べ、N倍の高い仕事出力とN倍の高い可逆性を達成しており、効率および熱力学的忠実度の比例的向上を示している。
• 特定のパrameter領域では、集団的機械はアンサンブル内での最も可逆性の高い個々のエンジンよりも高い可逆性を示すという、直感に反する結果を達成しており、これはコヒーレンス再利用に起因する。
• エントロピー汚染（不可逆性を測る指標）はコヒーレンス抽出のおかげで低減され、全状態の相対エントロピーから、コヒーレンスに保持された情報が全体のエントロピー生成を低減していることが示された。
• 上位のエンジンが下位のエンジンにコヒーレンス注入により「支援」することで、下位のエンジンはエントロピー汚染を低減し、効果的に上位エンジンの熱力学的コストを「クリーニング」する共生的メカニズムを示している。