[論文レビュー] Entropy Production in Non-Markovian Collision Models: Information Backflow vs. System-Environment Correlations

Hüseyin Talha Şenyaşa|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2022

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 50被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、熱的環境と衝突モデルを介して相互作用する量子ビット系におけるエントロピー生成を調査し、系-環境相関を保存するか消去するかの2つの非マーカフ的状態を比較する。その結果、負のエントロピー生成率を示すのは、系-環境相関を保存する方のみであることが判明し、情報の逆流れだけでなく、系-環境相関が負のエントロピー生成に不可欠であることを示した。これは、非マーカフ的熱力学における主要な曖昧さを解消するものである。

ABSTRACT

We investigate the irreversible entropy production of a qubit in contact with an environment modelled by a microscopic collision model in both Markovian and non-Markovian regimes. Our main goal is to contribute to the discussions on the relationship between non-Markovian dynamics and negative entropy production rates. We employ two different types of collision models that do or do not keep the correlations established between the system and the incoming environmental particle, while both of them pertain to their non-Markovian nature through information backflow from the environment to the system. We observe that as the former model, where the correlations between the system and environment are preserved, gives rise to negative entropy production rates in the transient dynamics, the latter one always maintains positive rates, even though the convergence to the steady-state value is slower as compared to the corresponding Markovian dynamics. Our results suggest that the mechanism underpinning the negative entropy production rates is not solely non-Markovianity through information backflow, but rather the contribution to it through established system-environment correlations.

研究の動機と目的

• 非マーカフ的開放量子系における負のエントロピー生成率の背後にあるメカニズムを明確化すること。
• 非マーカフ的ダイナミクスにおける情報の逆流れと系-環境相関の役割を分離すること。
• 同一の非マーカフ的条件下で、系-環境相関を保存するか消去するかの2つの衝突モデルの変種を比較すること。
• 非マーカフ性そのものが負のエントロピー生成を引き起こすかどうかという長年の論争を解決すること。
• 記憶効果を制御可能な衝突モデルフレームワークにおけるエントロピー生成の明確な物理的解釈を提供すること。

提案手法

• 系の量子ビットと環境の量子ビットのストリームとの間の逐次的相互作用を用いたマイクロスコピックな衝突モデルを使用する。
• 2つの異なる戦略を採用する：1つは各衝突後に系-環境相関を保存し、もう1つはそれらを消去する。
• 逆温度βSおよびβEを有する熱平衡状態の量子ビットを用いて環境をモデル化し、共鳴相互作用（ωS = ωE）を適用する。
• 非マーカフ性を制御するため、パラメータν（系-環境）およびε（環境内）を用いた部分SWAPゲートに基づくユニタリ操作を適用する。
• 情報の逆流れに基づく非マーカフ性の測度を用いて、両戦略において非マーカフ的ダイナミクスが成立することを確認する。
• 系のフォン・ノイマンエントロピーの変化を用いてエントロピー生成を計算し、不可逆的および可逆的寄与を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非マーカフ性そのものが負のエントロピー生成率を引き起こすのか？
• RQ2 系-環境相関は負のエントロピー生成を可能にする上で果たす役割は何か？
• RQ3 相関を保存するか消去するかの衝突モデルにおけるエントロピー生成の違いは何か？
• RQ4 情報の逆流れだけが負のエントロピー生成を説明できるのか、それとも相関の形成が不可欠なのか？
• RQ5 エントロピー生成のダイナミクスは、衝突モデルにおける記憶メカニズムとどのように関係するか？

主な発見

• 系-環境相関を保存する衝突モデルは、一時的ダイナミクスの間、負のエントロピー生成率を示し、このような相関が非正のエントロピー生成の主要因であることを確認した。
• 相関を消去するモデルでさえ、定常状態への収束がマーカフ的状態よりも遅いにもかかわらず、常に正のエントロピー生成率を維持した。
• 情報の逆流れによる非マーカフ性だけでは、負のエントロピー生成を生じさせることはできず、持続的な系-環境相関の存在が不可欠であることがわかった。
• 結果は、系-環境相関がエントロピー生成率に直接寄与することを示しており、情報の逆流れが負のエントロピー生成の唯一の原因であるという仮定に疑問を呈するものである。
• エントロピー生成は非マーカフ性にのみ依存するのではなく、ダイナミクス中に形成される相関の構造が決定的な役割を果たす。
• 本研究は、負のエントロピー生成を支える明確な物理的メカニズム（相関の形成）を提供し、先行研究における解釈の曖昧さを解消した。