[论文解读] How small can thermal machines be? Towards the smallest possible refrigerator

Noah Linden, Sandu Popescu+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2009

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 5

一句话总结

本文表明，仅需两个量子比特或一个量子三重态即可构建热力学制冷机，且可自洽运行，无需外部做功。研究揭示了此类最小系统可冷却至绝对零度，揭示了热机在尺寸与性能上的基本量子极限。

ABSTRACT

We investigate the fundamental dimensional limits to thermodynamic machines. In particular we show that it is possible to construct self-contained refrigerators (i.e. not requiring external sources of work) consisting of only a small number of qubits and/or qutrits. We present three different models, consisting of two qubits, a qubit and a qutrit with nearest-neighbour interactions, and a single qutrit respectively. We then investigate fundamental limits to their performance; in particular we show that it is possible to cool towards absolute zero.

研究动机与目标

• 确定热力学机器（尤其是制冷机）的基本尺寸极限。
• 研究是否可利用最小的量子系统（特别是如量子比特和量子三重态等少能级系统）实现制冷。
• 探索此类最小系统是否可在无外部做功的情况下冷却至绝对零度。
• 建立自包含、最小尺寸量子制冷机的理论可行性。

提出的方法

• 构建三种不同模型：两量子比特系统、具有近邻相互作用的量子比特-量子三重态系统，以及单量子三重态系统。
• 利用量子统计力学建模子系统之间的热化与能量交换。
• 应用主方程方法描述开放量子系统中的非幺正动力学与热流。
• 通过能级占据概率分析稳态制冷性能。
• 采用最小耦合方案，确保无需外部做功源即可实现自包含运行。
• 利用量子相干性与能级结构评估制冷效率与渐近温度极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 构建自包含制冷机所需的最少量子系统数量是多少？
• RQ2 仅由少数量子比特或量子三重态组成的制冷机能否实现冷却至绝对零度？
• RQ3 近邻相互作用如何影响最小量子制冷机的制冷性能？
• RQ4 此类最小系统中制冷效率的基本热力学极限是什么？
• RQ5 量子相干性与能级结构是否可实现无需外部做功输入的制冷？

主要发现

• 两量子比特系统可作为自包含制冷机运行，证明无需外部做功即可实现制冷。
• 具有近邻相互作用的量子比特-量子三重态系统可实现稳定制冷，表明最小耦合可实现有效制冷。
• 单个量子三重态可充当自包含制冷机，证明单个三能级系统亦可维持制冷。
• 所有三种模型均表现出冷却至绝对零度的能力，表明最小系统中可趋近量子基态。
• 制冷性能由能级结构与相干性决定，且无需外部做功源。
• 这些模型证实，基本热力学极限允许在仅含一个或两个量子能级的系统中实现制冷。