[论文解读] Information thermodynamics in a hybrid opto-mechanical system

Cyril Elouard, Maxime Richard+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2013

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 1

一句话总结

本文提出一种混合光机电系统，作为一种现实的、具有有限能量的电池，可从量子发射体可逆地提取功，实现在单比特水平上的热力学可逆信息-能量转换。通过将两能级量子系统与纳米机械振子耦合，该系统在不产生纠缠的情况下实现了可观测的功交换，当与热库耦合时，利用现有先进技术设备即可实现可行性。

ABSTRACT

With the progress of nano-technology, thermodynamics also has to be scaled down, calling for specific protocols to extract and measure work. Usually, such protocols involve the action of an external, classical field (the battery) of infinite energy, that controls the energy levels of a small quantum system (the calorific fluid). Here we suggest a realistic device to reversibly extract work in a battery of finite energy : a hybrid optomechanical system. Such devices consist in an optically active two-level quantum system interacting strongly with a nano-mechanical oscillator that provides and stores mechanical work, playing the role of the battery. We identify protocols where the battery exchanges large, measurable amounts of work with the quantum emitter without getting entangled with it. When the quantum emitter is coupled to a thermal bath, we show that thermodynamic reversibility is attainable with state-of-the-art devices, paving the road towards the realization of a full cycle of information-to-energy conversion at the single bit level.

研究动机与目标

• 通过用现实的、有限能量的经典电池替代理想化的无限能量经典电池，解决热力学向纳米尺度扩展的挑战。
• 设计一种基于混合光机电装置的可逆功提取协议，实现可观测的、非纠缠的能量交换，应用于量子热力学。
• 证明当量子发射体与热库耦合时，热力学可逆性可在实际可实现的装置中实现。
• 为利用当前实验技术实现单比特水平的完整循环信息-能量转换铺平道路。

提出的方法

• 采用由强耦合至纳米机械振子的两能级量子发射体构成的混合光机电系统。
• 将机械振子用作存储和与量子发射体交换机械功的有限能量电池。
• 实施协议，使电池与量子发射体之间实现大范围、可观测的功交换，且不产生纠缠。
• 利用光学与机械自由度之间的强耦合，介导能量转移并控制系统的热力学行为。
• 在与热库耦合的条件下建模系统，以评估其可逆性与实际可行性。
• 使用确保可逆性的热力学协议，以可观测的机械位移量化功的提取。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限能量的机械振子能否作为量子热力学系统中可逆功提取的可行电池？
• RQ2 如何在不引起电池与电池之间纠缠的情况下，从量子发射体中提取功？
• RQ3 在与热库耦合的混合光机电系统中，何种条件可实现热力学可逆性？
• RQ4 该系统在多大程度上可实现单比特水平的完整循环信息-能量转换？
• RQ5 所提出的协议是否可利用最先进的光机电设备实现？

主要发现

• 该混合光机电系统利用有限能量的机械电池，从量子发射体中实现可逆功提取，能量交换过程中避免了纠缠。
• 可在量子发射体与机械振子之间实现大范围、可观测的功交换，且不产生纠缠，确保了实际可观测性。
• 当量子发射体与热库耦合时，可在实际实验条件下实现热力学可逆性。
• 该系统在当前光机电技术条件下，展示了实现单比特水平完整循环信息-能量转换的可行性。
• 所提出的协议可利用机械位移作为可观测输出，实现可量化的功提取，从而支持实验验证。