[論文レビュー] How small can thermal machines be? Towards the smallest possible refrigerator

Noah Linden, Sandu Popescu+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2009

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、熱力学的冷蔵機が2キュービットまたは1つのキュートリットで構築可能であり、外部からの仕事なしに自己整合的に動作することを示している。このような最小限の系が絶対零度に向けて冷却可能であることが明らかになり、熱機械のサイズと性能に及ぼす根本的な量子制限が解明された。

ABSTRACT

We investigate the fundamental dimensional limits to thermodynamic machines. In particular we show that it is possible to construct self-contained refrigerators (i.e. not requiring external sources of work) consisting of only a small number of qubits and/or qutrits. We present three different models, consisting of two qubits, a qubit and a qutrit with nearest-neighbour interactions, and a single qutrit respectively. We then investigate fundamental limits to their performance; in particular we show that it is possible to cool towards absolute zero.

研究の動機と目的

• 熱力学的機械、特に冷蔵機の根本的な次元的限界を特定すること。
• 冷蔵が、少数の量子系、特にキュービットやキュートリットのような多準位系で達成可能かどうかを調査すること。
• このような最小限の系が外部からの仕事なしに絶対零度に向けて冷却可能かどうかを検討すること。
• 自己完結的で最小サイズの量子冷蔵機の理論的妥当性を確立すること。

提案手法

• 3つの異なるモデルの構築：2キュービット系、最近接相互作用を有するキュービット–キュートリット系、および1つのキュートリット系。
• 量子統計力学を用いて、部分系間の熱化およびエネルギー交換をモデル化すること。
• オープンな量子系における非ユニタリなダイナミクスおよび熱の流れを記述するために、マスター方程式のアプローチを適用すること。
• エネルギー準位の占有確率を用いて定常状態の冷却性能を分析すること。
• 外部からの仕事源が不要となるように、最小限の結合スキームを採用して自己完結的動作を確保すること。
• 量子コherー、および準位構造を用いて冷却効率と漸近的温度限界を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己完結的冷蔵機を構築するために必要な最小限の量子系の数は何か？
• RQ2 2〜3個のキュービットやキュートリットから構成される冷蔵機が、絶対零度に向けて冷却可能か？
• RQ3 最近接相互作用は、最小限の量子冷蔵機における冷却性能にどのように影響するか？
• RQ4 このような最小限の系における冷却効率の根本的熱力学的限界は何か？
• RQ5 量子コヒーレンスおよび準位構造が、外部からの仕事なしに冷却を可能にするか？

主な発見

• 2キュービット系は、外部からの仕事なしに冷却を示す自己完結的冷蔵機として機能可能である。
• 最近接相互作用を有するキュービット–キュートリット系は安定した冷却を達成し、最小限の結合が効果的な冷蔵を可能にしている。
• 1つのキュートリットは自己完結的冷蔵機として機能可能であり、3準位系1つでさえ冷却を維持可能であることを示している。
• 3つのモデルすべてが絶対零度に向けて冷却可能であり、最小系においても量子基底状態に近づけることが示された。
• 冷却性能はエネルギー準位構造とコヒーレンスによって支配され、外部からの仕事源が不要である。
• これらのモデルは、1つまたは2つの量子状態を有する系であっても冷却が可能であるという根本的熱力学的限界を確認している。