[論文レビュー] Refined Definitions of Heat and Work in Quantum Thermodynamics

B. Ahmadi, S. Salimi+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、エントロピーの変化に関連するエネルギー変化を熱とし、エントロピー変化のないエネルギー変化を仕事と定義することで、量子熱力学における熱と仕事の定義を再考する。このアプローチにより、量子コヒーレンスがすべてのエネルギー移動を純粋な熱にできないことを明らかにし、エントロピー生成の再考と、量子非可逆性に関する新たな知見が得られる。

ABSTRACT

In this paper, unambiguous redefinitions of heat and work are presented for quantum thermodynamic systems. We will use genuine reasoning based on which Clausius originally defined work and heat in establishing thermodynamics. The change in the energy which is accompanied by a change in the entropy is identified as heat, while any change in the energy which does not lead to a change in the entropy is known as work. It will be seen that quantum coherence does not allow all the energy exchanged between two quantum systems to be only of the heat form. Several examples will also be discussed. Finally, it will be shown that these refined definitions will strongly affect the entropy production of quantum thermodynamic processes giving new insight into the irreversibility of quantum processes.

研究の動機と目的

• 量子熱力学的系における熱と仕事の定義に生じる曖昧さを解消すること。
• クラウジウスの元来の原理に基づく、物理的に根拠のある明確な定義枠組みを確立すること。
• 量子コヒーレンスがエネルギー移動の性質とエントロピー生成に与える影響を調査すること。
• 洗練された定義を用いて、量子過程におけるエントロピー生成を再定式化すること。
• 量子熱力学的過程における非可逆性の理解を明確にすること。

提案手法

• 量子系に適用可能なクラウジウスの元来の熱力学的定義の再解釈。
• エントロピー変化と関連するエネルギー移動を熱、エントロピー変化のないエネルギー移動を仕事と定義。
• コヒーレンスを有する量子系に定義を適用し、エネルギー交換メカニズムを分析。
• 量子力学的モデルを用いて、コヒーレンス効果により、すべてのエネルギー移動を熱に分類できないことを示す。
• 洗練された定義に基づき、量子過程におけるエントロピー生成を分析し、非可逆性を評価。
• 具体的な例を提示して、洗練された定義の意味を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、量子熱力学的系における熱と仕事を曖昧さなく定義できるか？
• RQ2 量子コヒーレンスは、エネルギー交換を純粋な熱にできない程度にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 洗練された熱と仕事の定義は、量子過程におけるエントロピー生成の計算にどのように影響するか？
• RQ4 これらの定義は、量子熱力学における非可逆性の理解にどのような意味を持つのか？
• RQ5 標準的な量子系におけるエネルギー移動の例は、新しい定義のもとでどのように変化するか？

主な発見

• エントロピー変化を伴うエネルギー移動は熱と定義され、エントロピー変化のないエネルギー移動は仕事と定義される。
• 量子コヒーレンスにより、量子系間のエネルギー交換がすべて熱と分類されないことが保証され、古典的仮定に挑戦する。
• 洗練された定義により、量子過程におけるエントロピー生成の表現が修正される。
• 新しい枠組みにより、量子熱力学的過程の非可逆性に対する理解が深まる。
• 具体例から、コヒーレンスが量子系における熱と仕事の根本的違いを生じることを示す。
• 結果から、量子コヒーレンスがエネルギー移動の熱力学的性質を決定づける重要な役割を果たす可能性が示唆される。