[論文レビュー] Information thermodynamics in a hybrid opto-mechanical system

Cyril Elouard, Maxime Richard+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2013

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、有限エネルギーを持つ機械的バッテリとしてのハイブリッドオプトメカニカル系を提案し、量子発光体から逆転可能に仕事を取り出すことにより、単一ビットレベルでの熱力学的可逆な情報-エネルギー変換を実現する。2準位量子系とナノメカニカルオシレータを結合することで、エンタングルメントを伴わずに測定可能な仕事の交換が達成され、熱いバスタッチに接続された状態で、最新の実験装置と組み合わせて実現可能であることが示された。

ABSTRACT

With the progress of nano-technology, thermodynamics also has to be scaled down, calling for specific protocols to extract and measure work. Usually, such protocols involve the action of an external, classical field (the battery) of infinite energy, that controls the energy levels of a small quantum system (the calorific fluid). Here we suggest a realistic device to reversibly extract work in a battery of finite energy : a hybrid optomechanical system. Such devices consist in an optically active two-level quantum system interacting strongly with a nano-mechanical oscillator that provides and stores mechanical work, playing the role of the battery. We identify protocols where the battery exchanges large, measurable amounts of work with the quantum emitter without getting entangled with it. When the quantum emitter is coupled to a thermal bath, we show that thermodynamic reversibility is attainable with state-of-the-art devices, paving the road towards the realization of a full cycle of information-to-energy conversion at the single bit level.

研究の動機と目的

• 理想化された無限エネルギーを持つ古典的バッテリの代わりに、現実的で有限エネルギーを持つシステムを用いることで、ナノスケールへの熱力学のスケーリングに挑戦すること。
• 測定可能でエンタングルメントを伴わないエネルギー交換を可能にするハイブリッドオプトメカニカル構成を用いて、量子熱力学における逆転可能仕事抽出のプロトコルを設計すること。
• 量子発光体が熱いバスタッチに接続されている場合に、熱力学的可逆性が達成可能であることを示すこと。
• 現在の実験技術を用いて、単一ビットレベルでの完全サイクル情報-エネルギー変換の実現に道筋をつけること。

提案手法

• 2準位量子発光体がナノメカニカルオシレータと強く結合されたハイブリッドオプトメカニカル系を用いる。
• 機械的オシレータを、量子発光体と機械的仕事のやり取りを行う有限エネルギーのバッテリとして機能させる。
• バッテリと量子発光体との間にエンタングルメントを生じさせない大規模で測定可能な仕事の交換を可能にするプロトコルを実装する。
• 光学的自由度と機械的自由度の間の強い結合を用いてエネルギー移動を媒介し、系の熱力学的挙動を制御する。
• 系が熱いバスタッチに接続された状態をモデル化し、可逆性と実用的実現可能性を評価する。
• 可逆性を保証する熱力学的プロトコルを用いて系を分析し、測定可能な機械的変位を用いて仕事抽出を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限エネルギーを持つ機械的オシレータは、量子熱力学的設定における逆転可能仕事抽出のための実用的バッテリとして適しているか？
• RQ2 バッテリとエンタングルメントを誘発させることなく、どのようにして量子発光体から仕事を取り出すことができるか？
• RQ3 ハイブリッドオプトメカニカル系が熱いバスタッチに接続された場合、どのような条件下で熱力学的可逆性が達成可能か？
• RQ4 この系は、どの程度まで単一ビットレベルでの完全サイクル情報-エネルギー変換を達成できるか？
• RQ5 提案されたプロトコルは、最新のオプトメカニカルデバイスで実現可能か？

主な発見

• ハイブリッドオプトメカニカル系により、有限エネルギーを持つ機械的バッテリを用いて、エンタングルメントを伴わない状態で量子発光体からの逆転可能仕事抽出が可能である。
• 測定可能な大規模な仕事量が、量子発光体と機械的オシレータの間でエンタングルメントを伴わずに交換可能であり、実験的観測が可能である。
• 量子発光体が熱いバスタッチに接続されている場合、現実的な実験的条件下で熱力学的可逆性が達成可能である。
• 現在のオプトメカニカル技術を用いて、単一ビットレベルでの完全サイクル情報-エネルギー変換が実現可能であることが示された。
• 提案されたプロトコルにより、機械的変位を測定可能な出力として用いて、定量的仕事抽出が可能であり、実験的検証が可能である。