[论文解读] Limitations for thermodynamical processing of coherences

Jonathan Oppenheim|arXiv (Cornell University)|May 20, 2014

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文確立了在開放量子系統中操控量子相干性的基本熱力學極限。透過分析量子相干性作為熱操作下資源的角色，作者證明相干性無法自由轉化為功或其他形式的自由能，並推導出在熱約束下從相干態中可提取功的最大界限，揭示了熱力學資源理論中的一種根本性非對稱性。

ABSTRACT

Piotr Cwiklinski1,2, Michal Studzinski1,2, Michal Horodecki1,2 and Jonathan Oppenheim3 1 Institute of Theoretical Physics and Astrophysics, University of Gdansk, 80-952 Gdansk, Poland 2 National Quantum Information Centre of Gdansk, 81-824 Sopot, Poland 3 Department of Physics and Astronomy, University College of London, and London Interdisciplinary Network for Quantum Science, London WC1E 6BT, UK (Dated: May 23, 2014)

研究动机与目标

• 研究在熱操作下開放系統中量子相干性的熱力學資源理論。
• 確定在熱力學約束下，量子相干性是否可轉化為有用功或其他自由資源。
• 建立對相干量子態的操控與能量提取之基本限制。
• 明確相干性作為獨立熱力學資源的角色，與能量和熵分離。

提出的方法

• 使用熱操作作為允許的轉換集合，形式化相干性的熱力學資源理論。
• 將相干性定義為資源，並分析其在熱浴環境中與能量和熵的相互作用。
• 透過廣義自由能泛函推導從相干態中可提取最大功的界限。
• 使用相干性相對熵量化資源含量及其在熱操作下的轉變。
• 應用熱力學第二定律約束相干性操控，表明相干性無法與其他資源自由互換。
• 分析漸近與單次實現情形，比較相干態與非相干態可提取的功。

实验结果

研究问题

• RQ1 在熱操作下，量子相干性是否可轉化為有用功？
• RQ2 開放量子系統中相干性操控的熱力學基本界限為何？
• RQ3 在熱環境中，相干性的存在如何影響自由能與可提取功？
• RQ4 相干性是否為可自由互換的資源，還是其轉變存在不可逆約束？
• RQ5 在熱操作下，與非相干態相比，相干態可提取的最大功為何？

主要发现

• 從相干態中可提取的最大功受一個廣義自由能泛函限制，該泛函同時考慮能量與相干性內容。
• 相干性無法自由轉化為功；涉及相干性的熱力學轉變存在根本性非對稱性。
• 相干性相對熵提供了熱力學資源含量的定量度量，但其在熱操作下並非單調遞減。
• 在漸近極限下，從相干態中可提取的功趨近於相干與非相干態之間的自由能差，但此結果在單次實現情形中無法達成。
• 熱操作無法增加系統的相干性，且相干性不是像能量或熵那樣可自由轉換的資源。
• 本文確立了相干性為一獨立的熱力學資源，具有自身獨特的資源理論，且不等價於基於能量或熵的理論。