[论文解读] Quantum Thermodynamics: An introduction to the thermodynamics of quantum information

Sebastian Deffner, Steve Campbell|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2019

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 73被引用 70

一句话总结

简明的教科书式简介量子热力学，将经典热力学与量子信息联系起来，包含基础、量子系统和信息处理等章节。

ABSTRACT

This book provides an introduction to the emerging field of quantum thermodynamics, with particular focus on its relation to quantum information and its implications for quantum computers and next generation quantum technologies. The text, aimed at graduate level physics students with a working knowledge of quantum mechanics and statistical physics, provides a brief overview of the development of classical thermodynamics and its quantum formulation in Chapter 1. Chapter 2 then explores typical thermodynamic settings, such as cycles and work extraction protocols, when the working material is genuinely quantum. Finally, Chapter 3 explores the thermodynamics of quantum information processing and introduces the reader to some more state-of-the-art topics in this exciting and rapidly developing research field.

研究动机与目标

• 提供对经典热力学及其量子表述的简要概述。
• 解释真正量子工作系统与协议的热力学设置。
• 介绍量子信息的热力学及其现代主题。

提出的方法

• 提出热力学的五条定律及其量子扩展。
• 引入小型量子系统的随机热力学和涨落定理。
• 讨论量子功、量子热和量子熵产生。
• 探讨量子热计量、量子发动机和量子电池。
• 讨论在热力学背景下的误差修正、绝热量子计算与快速达到绝热的途径。

实验结果

研究问题

• RQ1 经典热力学原理如何转化为量子系统和信息处理？
• RQ2 在量子范畴中关键的热力学量（功、热、熵）是什么，以及它们如何被测量或界定？
• RQ3 量子热机器与信息处理任务有哪些普遍的界限与效率结果？

主要发现

• 本书概述了热力学五条定律如何扩展到量子系统与信息处理。
• 引入“双时能量测量”方法及任意可观测量的量子涨落定理。
• 呈现量子热计量、量子发动机、量子电池，以及以量子达尔文主义为核心主题的去相干性。
• 描述如量子朗道界限及非平衡朗道型界限等在量子情境中的界限。
• 展示热力学不可逆性、熵产生与信息处理任务之间的联系。