[论文解读] Quantum work extraction efficiency for noisy quantum batteries: the role of coherence

Salvatore Tirone, Raffaele Salvia+2 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2023

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 4

一句话总结

本文研究了在噪声环境下的量子电池中量子功提取效率，表明量子相干性显著增强了能量存储对噪声的鲁棒性。研究建立了最大渐近功/能量比（MAWERs）与量子功电容之间的直接联系，显示在自放电和热噪声环境中，相干初始态优于经典态，且性能在特定噪声环境和相干性条件下达到峰值。

ABSTRACT

Quantum work capacitances and maximal asymptotic work/energy ratios are figures of merit characterizing the robustness against noise of work extraction processes in quantum batteries formed by collections of quantum systems. In this paper we establish a direct connection between these functionals and, exploiting this result, we analyze different types of noise models mimicking self-discharging, thermalization and dephasing effects. In this context we show that input quantum coherence can significantly improve the storage performance of noisy quantum batteries and that the maximum output ergotropy is not always achieved by the maximum available input energy.

研究动机与目标

• 分析在真实环境噪声下，量子功提取在噪声量子电池中的鲁棒性。
• 研究量子相干性在自放电、热化和退相干效应存在下对能量存储性能的影响。
• 建立MAWERs（最大渐近功/能量比）与量子功电容之间的理论联系，以实现通用性能评估。
• 确定相干输入态是否能在噪声量子电池系统中优于经典态。
• 识别相干性在能量恢复效率方面提供可测量优势的参数区间。

提出的方法

• 推导出MAWERs与量子功电容之间的一般数学关系，使MAWERs可作为电容泛函的极限情况计算得出。
• 将该框架应用于分析三种噪声模型：幅度阻尼（自放电）、广义幅度阻尼（热化）以及同时存在的相位-幅度阻尼（退相干）。
• 使用互能（ergotropy）作为关键性能指标，通过输入态上的凹优化计算可提取功。
• 利用从互能泛函凹性结构导出的解析表达式，评估局部与可分输入的互能电容。
• 通过在零能量输入下对互能泛函求导，利用系统的渐近行为计算MAWERs。
• 对不同噪声参数（γ, κ, η）下的最优功提取效率进行数值与解析评估，包括互能与最优能量输入的图表。

Figure 1: Schematic representation of a quantum work extraction protocol operating on a noisy quantum battery composed by $n$ q-cells. Before the action of the noise (grey elements of the figure), some initial energy $E$ is loaded into the system via a state preparation procedure (leftmost element o

实验结果

研究问题

• RQ1 在自放电和热噪声下，量子相干性如何影响噪声量子电池中的功提取效率？
• RQ2 在环境噪声存在下，相干输入态是否能在可提取功方面优于经典输入态？
• RQ3 在噪声量子电池系统中，MAWERs与量子功电容之间存在何种关系？
• RQ4 在何种噪声参数区间内，相干性能为能量恢复提供性能优势？
• RQ5 最大可提取功是否总是在完全初始能量输入下实现？还是部分充电的电池可能优于完全充电的电池？

主要发现

• 量子相干性显著增强了量子电池在自放电和热噪声环境下的抗干扰能力，在这些参数区间内优于所有经典输入态。
• 最大可提取功并不总是在完全初始能量输入下实现；在某些噪声模型中，部分充电的电池可产生高于完全充电电池的互能。
• 在高温度极限下（η → 1/2）的广义幅度阻尼通道中，量子电池保留了全部输入互能，表明能量保持近乎完美。
• 在弱退相干区域（κ ∈ [0, γ/(1−γ)]），相干输入态的局部MAWER高于经典态，其差异在MAWER的解析表达式中被量化。
• 在强退相干区域（κ ∈ [γ/(1−γ), 1]），局部MAWER与幅度阻尼通道的经典结果一致，表明在强退相干下相干性不提供优势。
• 弱退相干下的MAWER为(1−γ)(1−κ)，强退相干下为max(0, 1−2γ)，表明最优策略随噪声参数发生明显转变。

Figure 2: Panels a) and b) show respectively the maximal single-shot, fixed energy, output ergotropy $\bar{\mathcal{E}}^{(1)}(\Phi_{\gamma};\mathfrak{e})$ of Eq. ( 36 ), and $\mathcal{E}^{(1)}(\Phi_{\gamma};\mathfrak{e})$ of Eq. ( 39 ) for the ADC as a function of $\mathfrak{e}$ for different values