[論文レビュー] Small quantum information networks operating as quantum thermodynamic machines

Markus Henrich, M. Michel+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2006

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、量子情報の分野で通常研究される3キュービット量子系が、2つの熱浴に結合された場合、有限時間の量子熱力学的機械として機能しうることを提案している。キュービットを直線状に配置し、中央のスピンを作動媒体として用いることで、カルノーに類似したサイクルを経る。温度差が臨界値に達すると、仕事のやり取りの方向が反転し、量子熱力学的相転移を示す。

ABSTRACT

We show that a 3-qubit system as studied for quantum information purposes can alternatively be used as a thermodynamic machine when driven in finite time and interfaced between two split baths. The spins are arranged in a chain where the working spin in the middle exercises Carnot cycles the area of which defines the exchanged work. The cycle orientation (sign of the exchanged work) flips as the difference of bath temperatures goes through a critical value.

研究の動機と目的

• 量子計算における標準的役割を超えて、量子情報系の熱力学的挙動を調査すること。
• 3キュービットスピン鎖が有限時間駆動下で量子熱機関または冷凍機として機能できるかどうかを調査すること。
• 2つの熱浴間の温度差が、仕事出力の符号にどのように影響するかを特定すること。
• サイクルの向きの反転を引き起こす臨界温度差の存在を同定すること。

提案手法

• 系は直線状に配置された3スピンから構成され、中央のスピンが作動キュービットとして機能する。
• 系は有限時間で駆動され、異なる温度を持つ2つの別々の熱浴に結合される。
• 作動スピンはカルノーに類似したサイクルを経る。ここで仕事はサイクルが囲む面積として定義される。
• サイクルの向き（仕事の符号）は、2つの熱浴の相対的温度に依存する。
• 有限時間駆動下での開放系ダイナミクスをモデル化するために、量子マスター方程式が用いられる。
• 臨界温度差は、仕事の符号が反転する点として特定され、熱力学的相転移を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子情報処理を目的として設計された3キュービット量子系が、同時に量子熱力学的機械としても機能できるか？
• RQ2 有限時間駆動プロトコルが、このような系における仕事出力にどのように影響するか？
• RQ3 サイクルにおける仕事のやり取りの方向は何かによって決まり、臨界温度差に達すると反転するか？
• RQ4 熱力学的サイクルの向きが反転する温度勾配の臨界点が存在するか？

主な発見

• 3キュービット系は、有限時間で駆動され、2つの熱浴に結合された場合、量子熱力学的機械として機能する。
• 中央のスピンはカルノーに類似したサイクルを経る。ここでサイクルの面積が交換された仕事として定義される。
• 2つの熱浴間の温度差が臨界値を通過すると、仕事出力の符号が反転する。
• この反転は、系の挙動における量子熱力学的相転移を示している。
• 系の動作は有限時間ダイナミクスと開放量子系の時間発展によって支配される。