[論文レビュー] Limitations for thermodynamical processing of coherences

Jonathan Oppenheim|arXiv (Cornell University)|May 20, 2014

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、開放量子系における量子重ね合わせの操作に関する基本的な熱力学的限界を確立する。熱操作下での量子重ね合わせをリソースとして分析することにより、著者らは、重ね合わせを自由に仕事や他の自由エネルギーの形に変換することはできないことを証明し、熱的制約下での重ね合わせ状態からの最大抽出可能仕事の上限を導出し、熱力学的リソース理論における根本的な非対称性を明らかにする。

ABSTRACT

Piotr Cwiklinski1,2, Michal Studzinski1,2, Michal Horodecki1,2 and Jonathan Oppenheim3 1 Institute of Theoretical Physics and Astrophysics, University of Gdansk, 80-952 Gdansk, Poland 2 National Quantum Information Centre of Gdansk, 81-824 Sopot, Poland 3 Department of Physics and Astronomy, University College of London, and London Interdisciplinary Network for Quantum Science, London WC1E 6BT, UK (Dated: May 23, 2014)

研究の動機と目的

• 熱操作下での開放系における量子重ね合わせの熱力学的リソース理論を調査すること。
• 熱力学的制約下で、量子重ね合わせが有用な仕事や他の自由リソースに変換可能かどうかを特定すること。
• 重ね合わせ状態からのエネルギー操作および抽出の根本的限界を確立すること。
• エネルギーおよびエントロピーとは別個のリソースとしての重ね合わせの役割を明確にすること。

提案手法

• 許容可能な変換としての熱操作を用いて、重ね合わせの熱力学的リソース理論を形式化すること。
• 重ね合わせをリソースとして定義し、熱いバスタイル環境下でのエネルギーおよびエントロピーとの相互作用を分析すること。
• 一般化された自由エネルギー関数を用いて、重ね合わせ状態から抽出可能な最大仕事の上限を導出すること。
• 相対エントロピーを用いて重ね合わせのリソース含量を定量化し、熱操作下での変換を分析すること。
• 第二法則を適用して重ね合わせの操作を制約し、重ね合わせが他のリソースと自由に相互変換できないことを示すこと。
• 漸近的およびシングルショットの状況を比較して、重ね合わせ状態と非重ね合わせ状態からの抽出可能仕事の差を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱操作下で、量子重ね合わせを有用な仕事に変換できるか？
• RQ2 開放量子系における重ね合わせの操作に関する根本的な熱力学的限界は何か？
• RQ3 熱的環境下で重ね合わせの存在が自由エネルギーおよび抽出可能仕事に与える影響は何か？
• RQ4 重ね合わせは自由に相互変換可能なリソースであるか、それとも不可逆的制約が存在するか？
• RQ5 熱操作下で、重ね合わせ状態から抽出可能な最大仕事は非重ね合わせ状態と比べてどの程度か？

主な発見

• 重ね合わせ状態からの最大抽出可能仕事は、エネルギーおよび重ね合わせ含量の両方を考慮する一般化された自由エネルギー関数によって上限づけられる。
• 重ね合わせは自由に仕事に変換できない。重ね合わせを含む熱力学的変換には根本的な非対称性が存在する。
• 重ね合わせの相対エントロピーは、熱力学的リソース含量を定量的に測る指標を提供するが、これは熱操作下で単調でない。
• 漸近的極限では、重ね合わせ状態からの抽出可能仕事は、重ね合わせ状態と非重ね合わせ状態の自由エネルギー差に近づくが、これはシングルショット状況では達成不可能である。
• 熱操作は系の重ね合わせを増加させない。重ね合わせはエネルギーまたはエントロピーと同様に自由に変換可能なリソースではない。
• 本論文は、重ね合わせがエネルギーまたはエントロピーに基づく理論とは等価でない独自のリソース理論を有する、独立した熱力学的リソースであることを確立している。