[论文解读] Entropy Production in Non-Markovian Collision Models: Information Backflow vs. System-Environment Correlations

Hüseyin Talha Şenyaşa|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2022

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 50被引用 9

一句话总结

本文研究了通过碰撞模型与热环境相互作用的量子比特系统中的熵产生，比较了两种非马尔可夫性行为：一种保留系统-环境关联，另一种则抹除这些关联。研究发现，仅在保留关联的情况下才会出现负熵产生率，表明系统-环境关联（而不仅仅是信息回流）是实现负熵产生的关键因素，从而解决了非马尔可夫性热力学中的一个核心歧义。

ABSTRACT

We investigate the irreversible entropy production of a qubit in contact with an environment modelled by a microscopic collision model in both Markovian and non-Markovian regimes. Our main goal is to contribute to the discussions on the relationship between non-Markovian dynamics and negative entropy production rates. We employ two different types of collision models that do or do not keep the correlations established between the system and the incoming environmental particle, while both of them pertain to their non-Markovian nature through information backflow from the environment to the system. We observe that as the former model, where the correlations between the system and environment are preserved, gives rise to negative entropy production rates in the transient dynamics, the latter one always maintains positive rates, even though the convergence to the steady-state value is slower as compared to the corresponding Markovian dynamics. Our results suggest that the mechanism underpinning the negative entropy production rates is not solely non-Markovianity through information backflow, but rather the contribution to it through established system-environment correlations.

研究动机与目标

• 阐明非马尔可夫开放量子系统中负熵产生率背后的机制。
• 厘清信息回流与系统-环境关联在非马尔可夫动力学中的作用。
• 在相同非马尔可夫条件下，比较两种碰撞模型变体——一种保留、一种抹除系统-环境关联——的表现。
• 解决长期存在的争议：非马尔可夫性本身是否足以导致负熵产生。
• 为具有可控记忆效应的碰撞模型框架中的熵产生提供清晰的物理诠释。

提出的方法

• 采用微观碰撞模型，通过系统量子比特与环境量子比特流的序列相互作用进行建模。
• 采用两种不同策略：一种在每次碰撞后保留系统-环境关联，另一种则抹除这些关联。
• 利用具有逆温度 βS 和 βE 的热化量子比特建模环境，并采用共振相互作用（ωS = ωE）。
• 基于部分 SWAP 门，引入参数 ν（系统-环境）和 ε（环境内）的酉操作，以控制非马尔可夫性。
• 采用基于信息回流的非马尔可夫性度量，确认两种策略下均存在非马尔可夫动力学。
• 通过系统冯 Neumann 熵的变化计算熵产生，区分不可逆与可逆贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 非马尔可夫性本身是否会导致负熵产生率？
• RQ2 系统-环境关联在实现负熵产生中起什么作用？
• RQ3 在保留或抹除关联的碰撞模型中，熵产生有何不同？
• RQ4 仅靠信息回流是否足以解释负熵产生，还是关联形成是必要条件？
• RQ5 熵产生动力学如何与碰撞模型中的底层记忆机制相关联？

主要发现

• 保留系统-环境关联的碰撞模型在瞬态动力学期间表现出负熵产生率，证实此类关联是导致非正熵产生的关键驱动力。
• 抹除关联的模型即使在收敛到稳态的过程中比马尔可夫情况更慢，也始终保持严格正的熵产生率。
• 仅通过信息回流实现的非马尔可夫性不足以产生负熵产生；持久的系统-环境关联的存在是必不可少的。
• 结果表明，系统-环境关联会直接贡献于熵产生率，挑战了信息回流是负熵产生唯一来源的假设。
• 熵产生并非仅由非马尔可夫性决定；动力学过程中形成的关联结构起决定性作用。
• 本研究提供了一个清晰的物理机制——关联形成——作为负熵产生的基础，解决了先前解释中的歧义。