[论文解读] Thermodynamically consistent dynamics of driven open quantum systems: from an autonomous framework to the semi-classical description

Roie Dann, Ronnie Kosloff|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用 4

一句话总结

本文通过在自治框架内将驱动视为一个大型瞬态控制系繫，为驱动的开放量子系统建立了一个热力学一致的主方程。通过划分控制系繫与主系繫，推导出一种半经典的描述，其中驱动作为哈密顿量中的时间依赖项出现，其动力学由驱动自由演化下的本征算符所支配；该理论通过一个与玻色模式处于相干态耦合的量子比特模型得到验证。

ABSTRACT

The structure of a thermodynamically consistent master equation for a driven system is obtained by imposing a set of thermodynamic postulates. The analysis is based on a time-independent autonomous construction, incorporating the drive as a large transient control quantum system. Under these assumptions, by partitioning the control and primary system we derive the semi-classical description. In this framework, the drive is incorporated as a time-dependent term in the primary system Hamiltonian. The resulting structure of the master equation is determined by a set of eigenoperators of the driven free dynamics. We demonstrate the theory by analyzing a qubit controlled by a single bosonic mode in a coherent state.

研究动机与目标

• 建立驱动开放量子系统的热力学一致框架。
• 通过将驱动嵌入一个自治量子控制系繫中，解决现有主方程中的不一致性。
• 推导一种半经典描述，其中驱动作为主系繫哈密顿量中的时间依赖项进入。
• 确保所得主方程尊重基本热力学公设，如细致平衡和熵产生。

提出的方法

• 构建一个包含主系繫和代表驱动的大型控制系繫的、时间无关的自治量子系繫。
• 将总希尔伯特空间划分为控制系繫和主系繫子空间，以推导约化动力学。
• 应用热力学公设（例如细致平衡、熵产生正性）来约束主方程的形式。
• 将驱动自由演化下的本征算符识别为主方程的基本构建块。
• 通过令控制系繫处于相干态，推导半经典极限，从而为子系繫获得时间依赖的哈密顿量。
• 以一个与单个玻色模式处于相干态耦合的量子比特为具体实例，验证该框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为驱动的开放量子系统构建一个热力学一致的主方程？
• RQ2 驱动在确保细致平衡和熵产生一致性方面起什么作用？
• RQ3 具有控制系繫的自治框架如何导致驱动动力学的半经典描述？
• RQ4 驱动自由演化的本征算符是什么，它们如何组织主方程的结构？
• RQ5 能否从一个自治量子构造中一致地推导出半经典极限？

主要发现

• 主方程完全由驱动自由演化下的本征算符决定，确保与系统单位演化的一致性。
• 热力学公设——尤其是细致平衡和熵产生正性——唯一地约束了主方程的形式。
• 当控制系繫处于相干态时，半经典极限自然出现，为主系繫产生时间依赖的哈密顿量。
• 即使在强驱动条件下，该框架仍保持热力学的物理一致性。
• 该模型成功描述了与处于相干态的玻色模式耦合的量子比特，证明了该形式化方法在真实驱动量子系统中的适用性。