[논문 리뷰] Optimal building block of multipartite quantum battery

Tianran Yang, Yuyu Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 20.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 N개의 두준위 원자들이 조화형 주행장과 공통의 열해수에 집단적으로 결합된 다구성 양자 배터리의 최적 원자 블록을 제안한다. 비선형 주행장과 분산의 균형을 이루면서, 시스템은 N = 17에서 원자당 최대 저장 자유 에너지를 달성하며, 독립적 충전 방식을 능가하고 열해수 내에서 양자 집단 효과가 에너지 저장 효율을 향상시킴을 보여준다.

ABSTRACT

To take quantum advantage of collective effects in many-body system, we design an elementary block for building multipartite quantum battery, which enables charging an atomic ensemble with optimal numbers in a common thermal bath. One achieves maximum free energy as the stored energy in the steady state, which is prior to each atom parallel charging independently. It ascribes to quantum collective effects in the ensemble of atoms induced by the competition between the coherent driving and decoherent dissipation. The corresponding thermodynamic efficiency of the energy storage is analyzed. The existence of the optimal elementary units of multipartite quantum battery provide a guideline for designing a realizable charging scheme.

연구 동기 및 목표

• 실제로 실현 가능한 다구성 양자 배터리의 기본 단위를 설계하여, 현실적인 개방계 조건에서 원자당 최대 에너지를 저장하는 것을 목표로 한다.
• 집단적인 양자 효과—비선형 주행장과 열분산 간의 경쟁에서 비롯되는 것—가 다체 원자 군집에서 에너지 저장에 미치는 영향을 조사한다.
• 외부 작업 입력 대비 저장 자유 에너지의 관계로써 열역학적 효율을 정량화한다.
• 공통의 열해수에서 에너지 저장 효율을 최대화하는 데 최적의 원자 수를 가지는 기본 단위의 원자 수를 규명한다.

제안 방법

• N개의 두준위 원자로 구성된 다구성 양자 배터리를 모델링하며, 집단 스핀 연산자 J_x, J_y, J_z를 사용하고, J_x 상호작용을 통해 조화형 주행장 A cos(ωt)에 결합한다.
• 공통의 열해수에 의한 비가역성과 공명 진동을 포함한 마스터 방정식을 사용하여 시스템의 동역학을 기술한다.
• 감쇠율 γ와 해수 온도 T에서의 온도에 따른 고유수 n(T)를 포함한 리드블라드 마스터 방정식을 사용하여 열해수에 의한 분산을 기술한다.
• 밀도 행렬 ρ(t)의 시간적 진화를 수치적으로 계산하여 자유 에너지 F, 내부 에너지 E, 작업 W, 열 Q의 변화를 추적한다.
• 열역학적 효율을 η = ΔF / W로 정의하며, ΔF는 자유 에너지의 변화량이고 W는 외부 장치에 의해 수행된 일이다.
• 자유 에너지가 원자 수 N에 따라 비단조화적으로 변화하는 경향을 분석하여, 저장 에너지를 최대화하는 최적의 N을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공통의 열해수에 연결된 집단 양자 배터리 단위에서 원자당 최대 자유 에너지를 저장하는 데 최적의 원자 수 N는 얼마인가?
• RQ2 비선형 주행장과 열분산 간의 상호작용에 의해 발생하는 양자 집단 효과는 개방 다체 양자 시스템에서 에너지 저장에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 충전 과정의 열역학적 효율은 무엇이며, 기본 단위의 원자 수 N에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 집단 충전 프로토콜은 원자당 저장 에너지와 효율 측면에서 독립적 병렬 충전 방식을 능가하는가?
• RQ5 시간에 따라 작업 입력 W, 열 방출 Q, 내부 에너지 분산 Δ⟨H⟩는 어떻게 변화하며, 에너지 균형에서 이들의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 기본 단위당 최적의 원자 수는 N_op = 17이며, 이는 평형 상태에서 원자당 최대 자유 에너지를 저장하는 데 기여한다.
• N = 17일 때 시스템은 원자당 평균으로 최대 저장 에너지를 달성하며, 양자 집단 효과로 인해 자유 에너지가 N에 따라 비단조화적으로 변화함을 보여준다.
• 열역학적 효율 η = ΔF / W는 N 증가에 따라 감소하며, 최적의 N = 17일 때 열 방출 증가로 인해 최소가 된다.
• γ = 0.03ω일 때 열역학 제1법칙이 성립한다: W = Q + ΔH이며, 작업 입력의 일부는 열로 변환되고 일부는 자유 에너지로 저장된다.
• 폐쇄계에서(γ = 0)일 경우, 상호작용 에너지의 변화 Δ⟨H_I⟩ < 0이므로 효율 η > 1이 발생할 수 있으며, 이는 외부 주행장과의 에너지 교환을 의미한다.
• 내재 에너지의 분산 Δ⟨H⟩는 자유 에너지의 분산 ΔF보다 작을 수 있으며, 이는 개방계에서 비정상적인 양자 얽힘 효과의 징후이다.