Illusory cracks in the second law of thermodynamics in quantum nanoelectronics
本文综述了量子纳米电子学中的自洽热力学妖理论，通过斯莫卢霍夫斯基活门等实例证明其看似违反热力学第二定律的裂缝是虚幻的，并探讨了其他自洽妖的分类及涨落对熵的影响。
2023-04-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Work Cost of Thermal Operations in Quantum and Nano Thermodynamics
采用由Janzing等人开创的量子和纳米系统的热力学资源理论框架。Phys.39，2717（2000）]中，我们将一种资源状态转换为另一种资源状态的有用功成本表示为凸优化的线性规划。该方法基于Janzing等人以及后来Horodecki和Oppenheim [Nat.Comm.4，2059（2013）]给出的热准序的表征。这两种表征都与Ruch、Schranner和Seligman以混合距离[J. Chem. Phys. 69，386（1978）]的名义研究的优化的扩展版本有关。
2014-02-14 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Towards fully quantum second laws of thermodynamics: limitations on the evolution of quantum coherences
热力学第二定律限制了一个系统可以进化到的状态。对于与热浴接触的系统，它可以与能量守恒定律结合起来，它说，一个系统只能在自由能下降的情况下进化成另一个系统。最近的研究表明，实际上存在着许多第二定律，只有对于大的宏观系统，它们才与普通的第二定律等价。这些附加的第二定律也适用于量子系统，事实上，在这个体系中往往更相关。它们限制了能级的概率如何演化。在这里，我们考虑如何能级之间的相干性可以演变的额外的限制。一致性只能下降，我们提供了一组限制，限制了它们可以保持的程度。我们发现，在能级的相干性必须衰减的速度，是适当地适应能级之间的过渡率。我们表明，在一个单一的量子比特的情况下，匹配的限制，在这种情况下，我们得到的状态到状态的转换的充分表征。对于更高的维度，我们推测，更严格的限制存在。我们还介绍了一类新的cohesive操作，允许更大的操纵cohesive和研究其权力方面的一类操作称为热操作。
2015-11-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Fluctuating work in coherent quantum systems: proposals and limitations
量子热力学最重要的目标之一是证明热力学协议相对于经典协议的优势。为此，有必要（i）开发理论工具和实验装置来处理热力学背景下的量子相干性，并（ii）阐明哪些性质在热力学过程中是真正的量子。在这篇简短的评论中，我们讨论了定义和测量允许捕获量子干涉现象的工作波动的建议。我们还讨论了由于测量反作用而产生的基本限制，以及工作分布和量子上下文之间的联系。我们希望这里总结的不同结果能激励进一步研究量子现象在热力学中的作用。
2018-05-28 cond-mat.stat-mech quant-ph
Quantum thermodynamic functions for an oscillator coupled to a heat bath
小型系统（在纳米物理学、量子信息等领域感兴趣）特别容易受到环境影响。因此，我们确定各种热力学函数的振荡器在任意温度下的任意热浴。最常见的讨论热浴模型：欧姆，单弛豫时间和黑体辐射的明确结果。
2007-03-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
The maximum efficiency of nano heat engines depends on more than temperature
关于热机的最大效率的萨迪卡诺定理在热力学中被认为是非常重要的。这个定理著名地指出，最大效率只取决于发动机所使用的热浴的温度，而不取决于浴的具体结构。在这里，我们表明，当热浴的大小是有限的，当发动机在量子纳米制度，这一说法的修订是必要的。我们表明，人们仍然可以实现卡诺效率，当浴结构上的某些条件得到满足;然而，如果不是这种情况下，那么最大可实现的效率可以减少到一个值，这是严格小于卡诺。我们推导出的情况下，当浴之一是由量子比特的最大效率。此外，我们表明，最大效率是由标准的热力学第二定律，类似于宏观的情况下，或由最大相对熵的不增加，这是一个数量以前与Single Shot制度在许多量子协议。这种相对熵量的出现是由于额外的约束，称为广义自由能，管理nanoregime的结晶转变。我们的研究结果表明，为了最大限度地提高效率，在选择浴哈密顿量应进一步考虑，明确构建量子热机在未来。这种对热力学的理解对旨在构建小型热力机器的纳米级工程具有影响。
2019-08-09 cond-mat.stat-mech quant-ph
Fundamental limitations on photoisomerization from thermodynamic resource theories
小的、不平衡的、量子系统不符合简单的热力学表达式。这样的系统以分子开关为例，其与浴进行热交换。这些分子在吸收光时可以光致异构化，或改变构象，或转换。光异构化的概率取决于动力学细节，耦合分子的能量，其耗散。因此，一个简单的，一般的，抽象式的光致异构化概率的界限似乎遥不可及。我们使用资源理论推导出这样的界限。资源理论框架是一套数学工具，在量子信息理论中发展，用于将热力学推广到小的和量子的设置。从这个工具包已经得出了推广的第二定律，热majorization前序。我们使用热平衡来限定光异构化概率的上限。然后，我们比较了边界与平衡预测和Lindbladian模型。我们确定了一个现实的参数制度，其中Lindbladian演变饱和的热约束。我们还量化了电子自由度的能量相干性，我们认为，这种相干性不能促进光异构化。这项工作说明了如何量子信息理论热力学可以阐明复杂的量子过程中的性质，实验和合成。
2020-04-21 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph quant-ph
Fundamentals of Nano-Thermodynamics
纳米结构材料和系统的合成和加工的最新进展要求对小长度尺度上的热性质有更好的理解。在这种情况下，热力学，特别是温度的概念是否可以应用于纳米尺度的问题是核心利益。这里我们考虑一个由规则链的基本子系统与最近邻相互作用的量子系统，并假设整个系统是在一个典型的状态与温度$T$。我们分析，在什么条件下的状态因子成一个产品的正则密度矩阵相对于组的$n$子系统的每个，当这些组具有相同的温度$T$。在量子系统中，最小群大小$n_{\textrm{min}}$依赖于温度$T$，这与经典情况相反。作为例子，我们将我们的分析应用到谐波链和不同类型的伊辛自旋链。对于谐波链，它成功地描述了绝缘固体的热性能，我们的方法给出了第一个定量估计的最小长度尺度上的温度可以存在：这个长度尺度被发现是恒定的温度以上的德拜温度和成比例的$T^{-3}$以下。最后，我们将谐波链模型应用于各种相关材料的技术应用，并讨论了结果。这些结果表明，高温确实可以存在于局部，而低温只存在于更大的尺度上。这有着惊人的后果：在准一维系统中，如碳纳米管，室温（300开尔文）存在于1 $μ$ m的长度尺度上，而非常低的温度（10开尔文）只能存在于大于1 mm的尺度上。
2004-08-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech quant-ph
Quantum thermodynamics with a single superconducting vortex
本文提出单涡旋盒（SVB）器件，实现对单个超导涡旋的捕获、按需排出与状态读取，测得排出过程耗散热量为4·10⁻¹⁹ J，并验证其作为亚纳秒级非易失性存储单元的概念，可与超导量子处理器兼容。
2024-02-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con physics.app-ph
Energy-temperature uncertainty relation in quantum thermodynamics
众所周知，当宏观系统的能量涨落很大时，对处于平衡状态的宏观系统的温度估计是最精确的。然而，对于纳米级系统，由于它们与环境的相互作用，会出现标准热力学的偏差。在这里，我们包括这样的相互作用，并利用量子估计理论，推导出一个广义的热力学不确定性关系，适用于经典和量子系统在所有耦合强度。我们表明，系统的状态和它的有效能量运营商之间的非交换性引起的量子涨落，增加了温度的不确定性。令人惊讶的是，这些额外的波动描述的平均Wigner-Yanase-Dyson偏斜信息。我们证明，温度的信噪比的热容量加上耗散项所产生的不可忽略的相互作用的约束。这些发现揭示了量子热力学中经典和非经典波动之间的相互作用，并将为最佳纳米温度计的设计提供信息。
2018-06-12 cond-mat.stat-mech quant-ph
Apparent violations of the second law in the quantum-classical dynamics of interacting levitated nanoparticles
本文研究由库仑相互作用的悬浮纳米粒子构成的量子-经典系统中热力学第二定律的表观违反现象，分析量子系统不同初始态对经典粒子的功、涨落及违反概率的影响，开启了随机热力学视角下混合量子-经典系统的研究。
2025-09-04 cond-mat.stat-mech quant-ph
Comment on "Nanoscale Heat Engine Beyond the Carnot Limit"
有一个一致的热力学形式主义与规范定义的局部温度，允许扩展的卡诺约束也非平衡浴，像那些在信中讨论
2014-01-30 quant-ph
The thermodynamics of creating correlations: Limitations and optimal protocols
我们在量子尺度上建立了基本资源理论之间的严格联系。关联和纠缠是众多量子信息任务不可或缺的资源。然而，它们的建立是以消耗热力学资源能量为代价的，并且受到初始熵的限制。在这里，能量转换成相关性的最佳转换进行了研究。假设存在一个热浴，我们建立一般的界限任意系统，并构建一个协议饱和。由互信息量化的相关性的量最多可以随着可用能量线性地增加，并且我们确定线性状态在哪里崩溃。我们进一步考虑真正的量子关联的产生，重点是我们宇宙的基本组成部分：费米子和玻色子。对于费米子模式，我们找到了最佳的纠缠协议。对于玻色子模式，我们表明，虽然高斯操作可以优于在创建纠缠，它们的性能是最佳的高能量。
2015-03-11 quant-ph
Nano-Thermodynamics: On the minimal length scale for the existence of temperature
我们考虑一个由规则链的基本子系统与最近邻相互作用的量子系统，并假设整个系统是在一个典型的状态与温度$T$。我们分析在什么条件下的状态因子成一个产品的正则密度矩阵相对于组的$n$子系统，以及当这些组具有相同的温度$T$。虽然在经典力学中，这个过程的有效性只取决于群$n$的大小，但在量子力学中，最小群大小$n_{\text{min}}$也取决于温度$T $！作为例子，我们将我们的分析应用到谐波链和伊辛自旋链。我们讨论了由于所考虑的模型的特性而出现的各种特征。对于谐波链，它成功地描述了绝缘固体的热性能，我们的方法给出了第一个定量估计的最小长度尺度上的温度可以存在：这个长度尺度被发现是恒定的温度以上的德拜温度和成比例的$T^{-3}$以下。
2005-02-02 quant-ph
Thermodynamic limitations on fault-tolerant quantum computing
本文通过建立量子纠错产热与耗散的动力学模型，揭示容错量子计算中存在有界错误与无界错误两种热力学相，并证明在当前超导硬件参数下执行2048位RSA分解的Shor算法仍处于可行域内。
2024-12-31 quant-ph
Comments on testing the violation of the Clausius inequality in nanoscale electric circuits
正确的热力学热力学定律，无论是经典的还是量子的，而不考虑统计量子力学的概率，对所有的系统都是有效的，无论是大的还是小的，包括只有一个自旋或一个粒子的系统。所以在纳米级电路中不会发生违规。
2007-06-19 quant-ph
Quantum thermodynamics with local control
我们调查的局限性，出现在热力学任务的结果，只有在一个热机器的组件的本地控制。这些限制对于由相互作用的多体系统组成的设备尤其相关。具体来说，我们研究协议的工作提取，采用多体系统作为工作介质，其演变可以通过调整现场的哈密顿项驱动。这提供了一组受限的热力学操作，从而产生了发动机性能的新边界。我们的研究结果表明，这些控制的局限性使得一般不可能达到卡诺效率;在其极端的分支，它甚至可以禁止达到有限的效率，每个粒子的工作。作为一个例子，我们重点研究了热力学极限下的一维伊辛模型。我们表明，在限制的强相互作用的铁磁情况下，成为无用的工作提取，而反铁磁提高其性能的耦合强度，达到卡诺在限制的任意强相互作用。我们的研究结果提供了一个有前途的量子控制和热力学研究之间的联系，并介绍了一套更现实的物理操作非常适合捕捉当前的实验方案。
2016-11-30 quant-ph
