[论文解读] Collective operation of quantum heat machines via coherence recycling, and coherence induced reversibility

Raam Uzdin|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2015

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 29

一句话总结

本文提出一种集体量子热机，通过相干性回收（相干性提取，CE）与相干性注入（CI）实现与引擎数量N的二次方工作量 scaling，同时提升可逆性。通过使非相互作用的引擎协同地获取并重新分配相干性，该系统产生的功是单个单元的N倍，且可逆性也提升为N倍，展示了无需外部相干性存储的共生量子热力学新范式。

ABSTRACT

Collective behavior where a set of elements interact and generate effects that are beyond the reach of the individual non interacting elements, are always of great interest in physics. Quantum collective effects that have no classical analogue are even more intriguing. In this work we show how to construct collective quantum heat machines and explore their performance boosts with respect to regular machines. Without interactions between the machines the individual units operate in a stochastic, non-quantum manner. The construction of the collective machine becomes possible by introducing two simple quantum operations: coherence extraction and coherence injection. Together these operations can harvest coherence from one engine and use it to boost the performance of a slightly different engine. For weakly driven engines we show that the collective work output scales quadratically with the number of engines rather than linearly. Eventually, the boost saturates and the scaling becomes linear. Nevertheless, even in saturation, work is still significantly boosted compared to individual operation. To study the reversibility of the collective machine we introduce the 'entropy pollution' measure. It is shown that there is a regime where the collective machine is N times more reversible while producing N times more work, compared to the individual operation of N units. Moreover, the collective machine can even be more reversible than the most reversible unit in the collective. This high level of reversibility becomes possible due to a special symbiotic mechanism between engine pairs.

研究动机与目标

• 探索超越单个单元性能极限的集体量子效应。
• 研究如何利用相干性（超越热化过程）来增强输出功与可逆性。
• 开发一种无需外部相干性存储的集体运行机制，仅依赖热库与经典驱动。
• 展示不同引擎类型之间的共生关系：一种引擎类型可使另一种引擎运行，同时减少熵污染。
• 挑战经典观念认为完全热化会破坏相干性，证明在集体热机中热化与相干性可共存。

提出的方法

• 通过完全交换操作实现相干性提取（CE），将相干性从一个引擎转移到另一个，以最小化纠缠与熵污染。
• 通过受控交换操作实现相干性注入（CI），将预存相干性注入目标引擎，以增强其性能。
• 集体热机通过同步N个引擎的CE与CI操作运行，实现在不发生单元间热量或功交换的前提下相干能量转移。
• 系统采用开放量子系统模型，包含热库与经典驱动场，动力学由马尔可夫主方程描述。
• 通过总密度矩阵的相对熵量化熵污染，衡量每循环的不可逆性与信息损失。
• 通过输出功、效率与可逆性指标分析性能，并研究N增加时的标度行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在多个量子热机之间收割并重复利用相干性，以使集体输出功超越单个单元的性能？
• RQ2 相干性回收如何影响量子热机的可逆性？是否能超越集合中任一单个引擎的可逆性？
• RQ3 当相干性被集体回收时，输出功随引擎数量N的标度行为如何？
• RQ4 不同引擎类型之间能否形成共生关系，即一种引擎类型使另一种引擎运行，同时减少整体熵产生？
• RQ5 即使单个引擎已接近其可逆极限，是否仍能在集体机器中实现比任何单个引擎更高的可逆性与输出功？

主要发现

• 对于弱驱动引擎，集体输出功随引擎数量N的平方增长，显著优于单个运行的线性标度。
• 即使在饱和后，集体热机仍显著优于单个单元，表明性能增强具有持久性。
• 与N个单元独立运行相比，集体热机实现了N倍的功输出与N倍的可逆性，表明效率与热力学保真度均成比例提升。
• 在某些参数区域，集体热机的可逆性甚至超过集合中最具可逆性的单个引擎，这一反直觉结果由相干性回收实现。
• 由于相干性收割，熵污染减少；总密度矩阵的相对熵显示，被回收的相干性信息降低了整体熵产生。
• 系统展现出一种共生机制：上层引擎通过相干性注入‘资助’下层引擎，而下层引擎则减少熵污染，从而有效‘净化’上层引擎的热力学代价。