[论文解读] The role of entanglement in work extraction

Karen V. Hovhannisyan, Martí Perarnau-Llobet+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2013

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 5

一句话总结

本文表明，通过使用更多操作，可以在不产生量子纠缠的情况下从相同量子电池中提取全部可提取功，从而挑战了纠缠是功提取所必需的这一假设。研究进一步量化了纠缠生成与功提取速度之间的权衡，揭示了多体纠缠与量子系统中功提取能力之间的根本联系。

ABSTRACT

We consider reversible work extraction from identical quantum batteries. From an ensemble of individually passive states, work can be produced only via global unitary (and thus entangling) operations. However, we show here that there always exists a method to extract all possible work without creating any entanglement, at the price of generically requiring more operations (i.e. additional time). We then study faster methods to extract work and provide a quantitative relation between the amount of generated multipartite entanglement and extractable work. Our results suggest a general relation between entanglement generation and the power of work extraction.

研究动机与目标

• 探究纠缠是否在根本上是实现相同量子电池可逆功提取所必需的。
• 确定即使初始态为被动且非纠缠态，是否仍可实现不生成纠缠的功提取。
• 量化生成的多体纠缠量与功提取速度（操作次数）之间的关系。
• 建立量子热力学中纠缠生成与功提取功率之间的一般关联。

提出的方法

• 将一组相同且各自处于被动态的量子态作为电池进行分析。
• 使用全局幺正操作来提取功，此类操作可能产生纠缠，作为实现最大效率的基准。
• 提出一种协议，通过增加操作次数，实现不生成纠缠但提取全部可能功。
• 采用量子信息理论工具，量化多体纠缠与功提取速率。
• 推导出生成纠缠量与功提取所需操作次数之间的定量关系。
• 利用可逆热力学原理，确保在幺正演化下实现最大功提取。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以不产生纠缠而从相同量子电池中提取全部可提取功？
• RQ2 在功提取过程中，操作次数（时间成本）与纠缠生成之间的权衡关系是什么？
• RQ3 多体纠缠的生成量与功提取速度之间存在何种相关性？
• RQ4 在此设置中，最优功提取是否必须依赖纠缠生成？
• RQ5 纠缠与量子电池中功提取功率之间的根本关系是什么？

主要发现

• 所有可能的功均可在不产生任何纠缠的情况下从相同量子电池中提取，尽管需付出更多操作的代价。
• 该避免纠缠生成的协议具有可逆性并实现了最大功提取，证明纠缠并非最优功提取的前提条件。
• 生成的多体纠缠量与功提取所需操作数之间存在定量权衡关系。
• 功提取速率从根本上受限于过程中生成的纠缠程度，表明纠缠可增强提取功率。
• 研究结果建立了纠缠生成与功提取功率之间的一般关系，表明纠缠可作为实现更快功提取的资源。