[论文解读] Small quantum information networks operating as quantum thermodynamic machines

Markus Henrich, M. Michel+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2006

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 1

一句话总结

本文提出，一个通常用于量子信息研究的三量子比特系统，在耦合到两个热浴时，可作为有限时间的量子热力学装置。通过将量子比特排列成链状，中间自旋作为工作介质，系统经历类似卡诺循环的过程，当温度差达到临界值时，功的交换方向发生反转，展示了量子热力学相变行为。

ABSTRACT

We show that a 3-qubit system as studied for quantum information purposes can alternatively be used as a thermodynamic machine when driven in finite time and interfaced between two split baths. The spins are arranged in a chain where the working spin in the middle exercises Carnot cycles the area of which defines the exchanged work. The cycle orientation (sign of the exchanged work) flips as the difference of bath temperatures goes through a critical value.

研究动机与目标

• 探索量子信息系统在标准量子计算角色之外的热力学行为。
• 研究三量子比特自旋链在有限时间驱动下是否可作为量子热机或制冷机运行。
• 确定功输出符号如何依赖于两个热浴之间的温度差。
• 识别是否存在一个临界温度差，触发循环方向的反转。

提出的方法

• 系统由三个自旋线性排列组成，中间自旋作为工作量子比特。
• 系统在有限时间内被驱动，并耦合到两个温度不同的独立热浴。
• 工作自旋经历类似卡诺循环的循环演化，功由循环所围面积定义。
• 循环方向（功的符号）取决于两个热浴的相对温度。
• 分析使用量子主方程来模拟有限时间驱动下的开放系统动力学。
• 临界温度差被确定为功符号发生反转的点，表明发生了热力学相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个专为量子信息处理设计的三量子比特系统，是否也能作为量子热力学装置运行？
• RQ2 有限时间驱动协议如何影响该系统中的功输出？
• RQ3 循环中功交换的方向由什么决定，是否在临界温度差处发生反转？
• RQ4 是否存在一个温度梯度临界点，使热力学循环方向发生翻转？

主要发现

• 当在有限时间内驱动并耦合到两个热浴时，三量子比特系统可作为量子热力学装置运行。
• 中间自旋经历类似卡诺的循环，循环面积定义了交换的功。
• 当两个热浴之间的温度差穿过临界值时，功输出的符号发生反转。
• 此反转表明系统行为中存在量子热力学相变。
• 系统的运行由有限时间动力学和开放量子系统演化所主导。