[论文解读] The role of quantum coherence in energy fluctuations

Stefano Gherardini, Alessio Belenchia+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2020

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文提出一种端点测量（EPM）协议，用于在保持初始量子相干性的同时量化开放量子系统中的能量涨落，避免了标准两点测量（TPM）方案中破坏性的投影测量。该方法可区分量子相干性贡献与经典热涨落，表明相干性可显著改变能量涨落统计，尽管由于缺少初始能量测量，不确定性有所增加。

ABSTRACT

We discuss the role of quantum coherence in the energy fluctuations of open quantum systems. To this aim, we introduce an operational protocol, to which we refer to as the end-point-measurement scheme, allowing to define the statistics of energy changes as a function of energy measurements performed only after its evolution. At the price of an additional uncertainty on the value of the initial energies, this approach prevents the loss of initial quantum coherences and enables the estimation of their effects on energy fluctuations. We illustrate our findings using a three-level quantum system in interaction with thermal reservoirs.

研究动机与目标

• 解决在标准测量协议会破坏初始量子相干性的开放量子系统中，量化能量涨落的挑战。
• 开发一种保留初始量子相干性的协议，以将相干性对能量涨落的贡献与经典热效应分离。
• 提供一个框架，以区分由相干性引起与由布居数引起对能量涨落统计的贡献。
• 提供一种可行的两点测量（TPM）方案替代方案，避免因投影测量导致初始态坍缩。
• 通过消除对初始能量测量的需求，提升实验可行性，从而简化实现。

提出的方法

• 提出一种端点测量（EPM）协议，仅在最终时刻测量能量，避免任何初始投影能量测量。
• 利用初始态的完整量子演化，包括由量子相干性引起的干涉效应，以计算能量变化的统计特性。
• 通过一种形式化方法定义能量涨落的统计矩，该方法可分离初始相干性与布居数（密度矩阵对角元）的贡献。
• 采用与三个热库耦合的三能级系统，通过马尔可夫主方程建模开放量子动力学，其中跃迁速率依赖于热占据数。
• 通过在100个随机采样的初始态上进行数值模拟，将EPM协议与TPM及MLL方案进行比较。
• 通过二阶矩和香农熵量化不确定性增加，表明EPM分布的不确定性高于TPM和MLL方案，尤其在瞬态动力学中更为显著。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在保持初始量子相干性的前提下量化开放量子系统中的能量涨落？
• RQ2 量子相干性对能量涨落统计的定量贡献是什么，且独立于初始布居数？
• RQ3 与标准协议相比，缺乏初始投影测量如何影响能量变化统计的不确定性？
• RQ4 在非平衡量子热力学背景下，相干性效应与热涨落有何不同？
• RQ5 EPM协议能否在实验环境中作为TPM方案的可行替代方案？

主要发现

• EPM协议成功分离了量子相干性对能量涨落的贡献，表明相干性可显著改变能量变化分布的二阶矩。
• 在大多数初始态和时间区间内，EPM协议下能量涨落的二阶矩大于MLL方案，表明由于保留了相干性，不确定性有所增加。
• 在图S1插图所示的特定三能级系统中，当各热库温度相等时，相干性对能量涨落二阶矩的贡献可忽略不计。
• EPM概率分布的香农熵始终高于MLL和TPM方案，证实了由于缺乏初始测量，不确定性增加。
• 在系统达到非平衡稳态后，EPM、MLL与TPM方案之间的所有统计差异均趋于消失，此时所有分布完全重合。
• EPM协议提供了一个完全可行的框架，可将能量变化统计中的量子相干性效应与热涨落分离，为量子热力学提供了新工具。