[论文解读] Stochastic thermodynamics in the quantum regime

Cyril Elouard, Alexia Auffèves+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2015

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 4被引用 9

一句话总结

本文提出了一套用于驱动开放量子系统的随机热力学框架，采用随机薛定谔方程在单条量子轨迹层面定义热力学量。该框架识别出相干性、量子特异的熵涨落贡献，并建立了波动定理的量子扩展，包括相干性在雅兹金斯基等式中的热印记。

ABSTRACT

This article sets up a formalism to describe stochastic thermodynamics for driven out-of-equilibrium open quantum systems. A stochastic Schrödinger equation allows to construct quantum trajectories describing the dynamics of the system state vector in presence of an eventually monitored environment. Thermodynamic quantities are defined at the single quantum trajectory level, independently of any energy measurement, at any time of the protocol. We thereby identify coherent contributions, without classical counterparts, leading to quantum fluctuations of thermodynamic quantities. This formalism eventually leads to central fluctuation theorems for entropy, extending in the quantum regime results obtained in classical stochastic thermodynamics. The thermal imprint of coherences on a simple implementation of Jarzynski equality is investigated, opening avenues for a thermodynamic approach to decoherence.

研究动机与目标

• 将随机热力学扩展至驱动的、非平衡的开放量子系统。
• 在不依赖能量测量结果的前提下，于单条量子轨迹层面定义热力学可观测量（如熵和功）。
• 识别出在经典系统中不存在的、由量子相干性引起的热力学涨落贡献。
• 推导出波动定理的量子版本，特别是针对熵产生。
• 通过雅兹金斯基等式在量子 regime 中探究量子相干性的热力学角色。

提出的方法

• 利用随机薛定谔方程构建形式体系，描述环境持续监测下系统态的演化。
• 热力学量（如熵、功）按每条量子轨迹独立定义，不依赖于能量测量结果。
• 通过分析密度矩阵演化和轨迹特异性动力学，分离出熵产生的相干性贡献。
• 该框架可推导出量子 regime 下熵的波动定理，推广经典结果。
• 通过分析简单模型系统中相干性在雅兹金斯基等式上的印记，探究量子相干性的角色。
• 该方法可识别出源于非经典叠加态的热力学量中的量子涨落。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在开放量子系统中一致地在单条量子轨迹层面定义热力学量？
• RQ2 量子相干性对熵产生和热力学涨落的贡献是什么？
• RQ3 量子涨落如何修改非平衡过程中经典波动定理？
• RQ4 量子相干性以何种方式影响雅兹金斯基等式的有效性与解释？
• RQ5 能否基于基于轨迹的随机热力学，提出一种退相干的热力学描述？

主要发现

• 量子轨迹使得在不进行能量测量的前提下，可在单条轨迹层面定义熵和功等热力学量。
• 该形式体系自然地涌现出经典随机热力学中不存在的、相干的非经典熵产生贡献。
• 该框架导出了波动定理的量子扩展，包括对熵产生的扩展。
• 在简单模型中，相干性对雅兹金斯基等式的热印记被解析证明，显示出与经典行为的偏离。
• 该形式体系揭示了热力学可观测量中的量子涨落源于系统的相干演化与环境监测。