[論文レビュー] Quantum Thermodynamics: An introduction to the thermodynamics of quantum information

Sebastian Deffner, Steve Campbell|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2019

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 73被引用数 70

ひとこと要約

古典熱力学を量子情報へ結びつけ、基礎、量子系、および情報処理に関する章を含む、量子熱力学を簡潔に解説した教科書。

ABSTRACT

This book provides an introduction to the emerging field of quantum thermodynamics, with particular focus on its relation to quantum information and its implications for quantum computers and next generation quantum technologies. The text, aimed at graduate level physics students with a working knowledge of quantum mechanics and statistical physics, provides a brief overview of the development of classical thermodynamics and its quantum formulation in Chapter 1. Chapter 2 then explores typical thermodynamic settings, such as cycles and work extraction protocols, when the working material is genuinely quantum. Finally, Chapter 3 explores the thermodynamics of quantum information processing and introduces the reader to some more state-of-the-art topics in this exciting and rapidly developing research field.

研究の動機と目的

• 古典熱力学とその量子定式化の簡潔な概要を提供する。
• 真に量子の作動系とプロトコルの熱力学的設定を説明する。
• 量子情報の熱力学とその現代的テーマを紹介する。

提案手法

• 熱力学の五つの法則とそれらの量子拡張を提示する。
• 小さな量子系に対する確率論的熱力学と揺らぎ定理を紹介する。
• 量子仕事、量子熱、量子エントロピー生産を論じる。
• 量子温度測定、量子熱機関、量子電池を探る。
• 熱力学的文脈における誤り訂正、断熱量子計算、および断熱性へのショートカットを論じる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的な熱力学の原理はどのようにして量子系と情報処理へ翻訳されるのか？
• RQ2 量子領域における主要な熱力学量（仕事、熱、エントロピー）は何で、どのように測定または制限されるのか？
• RQ3 量子熱機械と情報処理タスクにおける普遍的な界限と効率性の結果は何か？

主な発見

• 本書は熱力学の五法則が量子系と情報処理へどのように拡張されるかを概説する。
• 任意の観測量に対する二時刻エネルギー測定アプローチと量子揺らぎ定理を導入する。
• 量子温度測定、量子エンジン、量子電池、そして量子ダーウィニズムを中心テーマとしたデコヒアレンスを提示する。
• 量子ランドアーの制限や非平衡ランドアー型の境界など、量子文脈における境界を記述する。
• 熱力学的不可逆性、エントロピー生産、および情報処理タスクとの関連を示す。