[论文解读] Nonequilibrium fluctuations of a quantum heat engine

Tobias Denzler, Jonas F. G. Santos+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2021

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 5

一句话总结

本研究通过液态核磁共振（NMR）实验平台，实验研究了自旋-1/2量子奥托热机中的非平衡涨落。通过多点投影测量技术测量了功与热的联合分布，结果表明在准绝热过程中实现了近乎完美的反相关性（紧密耦合），导致效率分布强烈集中于宏观效率值附近，且涨落显著抑制，同时验证了功与热的双变量量子涨落关系。

ABSTRACT

The thermodynamic properties of quantum heat engines are stochastic owing to the presence of thermal and quantum fluctuations. We here experimentally investigate the efficiency and nonequilibrium entropy production statistics of a spin-1/2 quantum Otto cycle. We first study the correlations between work and heat within a cycle by extracting their joint distribution for different driving times. We show that near perfect anticorrelation, corresponding to the tight-coupling condition, can be achieved. In this limit, the reconstructed efficiency distribution is peaked at the macroscopic efficiency and fluctuations are strongly suppressed. We further test the second law in the form of a joint fluctuation relation for work and heat. Our results characterize the statistical features of a small-scale thermal machine in the quantum domain and provide means to control them.

研究动机与目标

• 在非平衡条件下，实验表征量子热机中功、热和效率的统计行为。
• 研究在绝热到非绝热过渡区域中，量子奥托循环期间功与热之间的相关性。
• 检验小尺度量子系统中功与热的双变量量子涨落关系的有效性。
• 考察功-热相关性对随机效率分布和涨落的影响。
• 探讨有限时间量子热力学循环中量子摩擦和不可逆损失的作用。

提出的方法

• 采用500 MHz NMR波谱仪，以氘代丙酮中13C标记的CHCl3为工作量子比特，1H核为热库。
• 实现四冲程量子奥托循环：冷却、单位时间膨胀、加热和单位时间压缩，其中射频脉冲作为做功冲程。
• 利用类似拉比的干涉技术，在循环关键点执行投影能量测量，以重构功与热的联合概率分布P(W,Q)。
• 采用多点测量方案，提取不同驱动时间τ下的P(W,Q)，实现对相关性和涨落统计的分析。
• 将实验数据拟合为九个洛伦兹分布之和，以建模联合功-热分布并提取效率统计特性。
• 使用QuTiP和布洛赫向量模型进行数值模拟，以模拟热化和单位时间演化，验证实验结果及涨落关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在量子热机中，功与热如何涨落，其联合统计分布为何种形式？
• RQ2 在有限时间量子奥托循环中，功-热反相关性（紧密耦合）在多大程度上可实现？
• RQ3 功-热相关性如何影响量子发动机中随机效率的分布与涨落？
• RQ4 功与热的双变量量子涨落关系是否可在小尺度量子系统中实验验证？
• RQ5 微观效率与宏观效率的行为如何？为何在绝热区域尽管不可逆损失减少，微观效率⟨W/Q⟩仍下降？

主要发现

• 在准绝热区域（τ = 320 μs）实现了功与热的近乎完美反相关性，表明存在紧密耦合。
• 随着系统趋近绝热极限，效率分布强烈集中于宏观效率值附近，涨落显著抑制。
• 微观平均效率⟨W/Q⟩随驱动时间τ增加而减小，与之相反，宏观效率⟨W⟩/⟨Q⟩则增加，表明在罕见随机事件中存在违背热力学第二定律的现象。
• 详细量子涨落关系P(W,Q)/P(−W,−Q) = exp(−ΔβQ − β₁W)在所有驱动时间下（包括τ = 200至700 μs）均得到实验验证。
• 功与热的积分涨落关系得到确认，支持了以非平衡涨落定理形式呈现的第二定律在量子系统中的适用性。
• 使用QuTiP和布洛赫向量模型的数值模拟成功再现了实验趋势，并验证了观测到的涨落关系。