[論文レビュー] No energy transport without discord

Seth Lloyd, Zi-Wen Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2015

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、量子ディスコードが量子系間のエネルギー輸送に不可欠であることを確立し、熱流量が直接的に対角（エネルギー的）ディスコードを生成することを示している。ナノスケールの熱伝達実験を通じて、アルミナとサファイアの界面で、$4.28 \times 10^{24}$ ビット・m⁻²・K⁻¹・s⁻¹のディスコード生成レートを測定し、熱流量が量子もつれの直接的証拠であることを実証した。全状態トモグラフィーを必要としない。

ABSTRACT

We show that without quantum correlations, energy cannot flow. The result follows from a simple theorem that shows that systems whose dynamics do not generate quantum discord are effectively non-interacting. We show that the rate of heat transfer between two quantum systems at different temperatures is directly proportional to the instantaneous rate of increase of diagonal/energetic discord between the systems. Consequently, nanoscale heat transfer experiments can be used to measure discord directly. We report the results of a measurement of the increase in discord due to nanoscale heat flow across an aluminum-sapphire interface and find it to be $4.28 imes 10^{24}$ ${ m bits}\,{ m m^{-2}}\,{ m K^{-1}}\,{ m s^{-1}}$.

研究の動機と目的

• 量子ディスコードが量子系間のエネルギー輸送を可能にする根本的役割を確立すること。
• 熱流量が、全量子状態トモグラフィーを回避して、量子相関の直接的証拠であることを示すこと。
• 超高速ナノスケール熱輸送中に、対角／エネルギー的ディスコードの生成レートを実験的に測定すること。
• フェムト秒レーザー励起と温度モニタリングを用いて、熱フラックスとディスコード増加の理論的関係を検証すること。
• 対角ディスコードが高温・ガウス型極限で通常のディスコードに収束することを示し、実用的測定が可能であることを確認すること。

提案手法

• 異なる温度にある2つの系間の対角ディスコード増加率と熱伝達率の間の定理を理論的導出する。
• エネルギー固有状態（対角基底）を用いて対角ディスコードを定義し、エネルギーおよびエントロピーの流れと直接関連付ける。
• 実験で熱流量をモデル化するためのフォアリエの法則を用い、アルミの反射率の変化による温度測定を併用する。
• 実験的に測定可能な量 $ \theta $, $ C $, および $ \Delta T_A/\Delta t $ を用いて、ディスコード増加率を公式 $ \frac{\Delta D}{\Delta x^2 \Delta t} = \theta C \left( \frac{T_A}{T_B} - 1 \right) \frac{1}{kT_A} \frac{\Delta T_A}{\Delta t} $ で計算する。
• フェムト秒レーザーパルスを用いてアルミを励起し、一時的な熱流量をサファイアに発生させ、反射率を用いた時間分解温度追跡を実施する。
• 高温・ガウス的状態における対角ディスコードと通常のディスコードの比較を行い、両者の収束を確認し、測定の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子系間のエネルギー輸送には、量子ディスコードが必須条件であるか？
• RQ2 熱伝達レートが、量子ディスコード生成の直接的証拠として用いられる可能性はあるか？
• RQ3 高温・熱的状態における対角ディスコードは、通常のディスコードをどれくらい正確に表現するか？
• RQ4 ナノスケール熱輸送を用いて、巨視的レートのディスコード生成を実験的に測定できるか？
• RQ5 理論的な熱流量とディスコード増加の比例関係が、実際の実験系でも成立するか？

主な発見

• 量子系間のエネルギー輸送は、ディスコードという形での量子もつれが存在しない限り不可能である。
• 対角／エネルギー的ディスコードの増加率は、熱フラックスおよび2系統間の温度差に直接比例する。
• 実験では、アルミナ－サファイア界面で、ディスコード生成レートが $ 4.28 \times 10^{24} $ ビット・m⁻²・K⁻¹・s⁻¹ であった。
• 熱流量は、全状態トモグラフィーを必要としない、直接的かつ実験的にアクセス可能な量子ディスコードの証拠である。
• 高温・ガウス型極限において、対角ディスコードは通常のディスコードに収束し、実用的測定としての有効性が裏付けられた。
• 本研究は、巨視的ディスコード生成の初の実験的証明および認定であり、熱力学的量を直接用いて測定された。