[论文解读] Refined Definitions of Heat and Work in Quantum Thermodynamics

B. Ahmadi, S. Salimi+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文通过将与熵变相关的能量变化定义为热量，将不伴随熵变的能量变化定义为功，重新定义了量子热力学中的热量与功。该方法表明，量子相干性阻止了所有能量传递纯粹作为热量，从而导致熵产生方式的修正，并为理解量子不可逆性提供了新见解。

ABSTRACT

In this paper, unambiguous redefinitions of heat and work are presented for quantum thermodynamic systems. We will use genuine reasoning based on which Clausius originally defined work and heat in establishing thermodynamics. The change in the energy which is accompanied by a change in the entropy is identified as heat, while any change in the energy which does not lead to a change in the entropy is known as work. It will be seen that quantum coherence does not allow all the energy exchanged between two quantum systems to be only of the heat form. Several examples will also be discussed. Finally, it will be shown that these refined definitions will strongly affect the entropy production of quantum thermodynamic processes giving new insight into the irreversibility of quantum processes.

研究动机与目标

• 解决量子热力学系统中热量与功定义的模糊性。
• 基于克劳修斯原始原理，建立一个严格且物理上合理的区分热量与功的框架。
• 研究量子相干性如何影响能量传递的本质与熵产生。
• 利用改进的定义重新表述量子过程中的熵产生。
• 为理解量子热力学过程中不可逆性提供更清晰的视角。

提出的方法

• 重新诠释克劳修斯原始热力学定义，使其适用于量子系统。
• 将热量定义为与熵变相关的能量传递，将功定义为不伴随熵变的能量传递。
• 将这些定义应用于具有相干性的量子系统，以分析能量交换机制。
• 利用量子力学模型证明，由于相干性效应，所有能量传递无法被归类为热量。
• 在新定义下分析量子过程中的熵产生，以评估不可逆性。
• 提出具有说明性的例子，以展示改进定义的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在量子热力学系统中明确定义热量与功？
• RQ2 量子相干性在多大程度上阻止能量交换被纯粹归类为热量？
• RQ3 改进后的热量与功定义如何改变量子过程中熵产生的计算？
• RQ4 这些定义对理解量子热力学中不可逆性有何影响？
• RQ5 在新定义下，量子系统中能量传递的标准例子如何变化？

主要发现

• 伴随熵变的能量传递被定义为热量，不伴随熵变的能量传递被定义为功。
• 量子相干性确保量子系统之间的所有能量交换无法被归类为热量，从而挑战了经典假设。
• 改进的定义导致量子过程中熵产生表达式的修正。
• 新框架为理解量子热力学过程中不可逆性的本质提供了更深层次的洞察。
• 实例表明，相干性在量子系统中引入了热量与功之间的根本性区别。
• 结果表明，量子相干性在决定能量传递的热力学特性方面起着关键作用。