Multipartite information flow for multiple Maxwell demons
热力学第二定律规定了物理系统之间可以交换的能量和信息量的基本限制。在这项工作中，我们扩展了热力学形式主义，描述这种流动的能量和信息开发的一对二分系统，许多多部系统。我们确定了一个自然的热力学量，描述了这些系统之间交换的信息。然后，我们介绍并讨论一个改进的版本。我们的结果说明了两个，竞争麦克斯韦恶魔的模型。
2015-01-22 cond-mat.stat-mech
Rational Extended Thermodynamics of a Rarefied Polyatomic Gas with Molecular Relaxation Processes
我们提出了一个更精细的版本，合理的扩展热力学的稀薄多原子气体中的分子旋转和振动弛豫过程分别处理。在这种情况下，我们需要一个三重层次的时刻系统和系统的平衡方程是封闭的，通过最大熵原理。采用了三种不同类型的产生项，这是由Boltzmann方程中的广义BGK型碰撞项所建议的。特别是对具有七个独立场的有理扩展热力学理论（ET7）进行了详细的分析。最后，用CO_2、Cl_2和Br_2气体的实验数据验证了由ET7理论导出的超声波色散关系。
2017-09-04 cond-mat.stat-mech
Relativistic transformation of thermodynamic parameters and refined Saha equation
温度的相对论变换规则是一个争论了110多年的话题。在文献中存在几个不相容的建议，但仍然缺少最终解决方案。在这项工作中，我们重新考虑的问题的相对论转换规则的一些热力学参数，包括温度，化学势，压力，熵和焓密度的相对论理想流体使用相对论动力学理论。分析是在一个完全相对论协变的方式进行的，上述量的显式变换规则，得到在闵可夫斯基和Rindler时空。我们的结果表明，运动流体的温度似乎更低，支持德布罗意，爱因斯坦和普朗克的提议，而不是其他提议。此外，在Rindler流体的情况下，我们的工作表明，底部平行于Rindler视界的盒子中的完美流体的粒子总数和总熵与底部的面积成正比，但与高度无关只要盒子的底部足够接近Rindler视界。粒子数的面积依赖性意味着粒子趋向于聚集到盒子的底部，从而隐含地决定了系统的化学势分布，而熵的面积依赖性则表明熵仍然是可加的，并可能在解释黑洞熵的面积定律中找到一些应用.作为副产品，我们还获得了著名的萨哈方程的相对论精炼版本，它同时适用于闵可夫斯基和林德勒时空。
2021-12-22 cond-mat.stat-mech gr-qc hep-th
Quality of the Thermodynamic Uncertainty Relation for Fast and Slow Driving
热力学不确定性关系最初证明了系统驱动到一个非平衡稳态（NESS）允许一个推断总熵产生率通过观察系统中的任何电流。当系统包含隐藏的自由度或隐藏的离散状态时，这种推理方案特别有用，这是实验者无法访问的。最近推广的热力学不确定性关系到任意的时间依赖驱动允许一个推断熵的产生，不仅通过测量当前的可观的，但也通过观察状态变量。因此，一个关键的问题是要理解哪一个观测值能产生总熵产生的最佳估计。在本文中，我们解决这个问题，通过分析质量的热力学不确定性关系的各种类型的可观测的一般限制情况下的快速驾驶和慢速驾驶。我们表明，在这两种情况下，可以发现，产生一个估计的总熵产生的顺序。我们进一步表明，不确定性关系，甚至可以饱和的快速驾驶的限制。
2021-06-15 cond-mat.stat-mech
Information and thermodynamics: fast and precise approach to Landauer's bound in an underdamped micro-mechanical oscillator
Landauer原理指出，擦除1位存储器至少需要$k_B T \ln 2$的能量，其中$k_B T$是系统的热能。我们研究了惯性对这个界限的影响，作为一位记忆的欠阻尼微机械振荡器限制在一个双势阱的反馈回路。势垒在几个$k_B T$范围内可精确调节。我们的措施，在随机热力学框架内，工作和热的擦除协议。我们从实验和理论上证明，在这个欠阻尼系统中，Landauer界达到了1%的不确定性，协议短至100 ms。
2021-05-25 cond-mat.stat-mech
Upper bound for entropy production in Markov processes
该研究针对马尔可夫过程的熵产生问题，突破以往仅给出熵产生下界的研究方向，推导出分别适用于稳态与任意含时条件的两个熵产生上界，经数值模拟验证有效，具有潜在应用价值。
2023-10-06 cond-mat.stat-mech
Thermodynamic consistency and fast dynamics in phase field crystal modeling
本文提出了一种通用的公式来导出运动方程，并同时证明了几类相场模型的热力学一致性。它适用于具有守恒相场的模型，描述均匀或周期性稳定状态，并包含慢和快的热力学变量。该方法是基于熵泛函形式主义先前开发的背景下相场模型的均匀状态[P. Galenko和D。Jou，Phys. Rev. E { \bf 71}，046125（2005）]，并且因此允许将后者的若干性质扩展到周期性状态的相场模型（相场晶体模型）。特别是，它允许演示的概念，热力学的一致性相场晶体模型与快速动态。
2011-05-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Linear and non-linear thermodynamics of a kinetic heat engine with fast transformations
我们研究了一个动力学热机模型，该模型由封闭在一个盒子中的粒子组成，盒子的一侧作为恒温器，另一侧是施加给定压力的活塞。压力和温度在周期为$τ$的循环协议中变化：它们的相对偏移分别为$δ$和$ε$，构成了将系统拖离平衡的热力学力。系统的熵产生的分析允许定义共轭通量，其与提取的功和消耗的热成比例。在小$δ$和$ε$的限制下，通过一个非对角元素满足互反关系的$τ$依赖的Onsager矩阵的力的通量是线性的。活塞的动力学可以近似，通过粗粒化过程，由克莱因-克拉默斯方程，其中-在线性制度-产生解析表达式的Onsager系数和熵产生。在最大功率下的效率的研究表明，Curzon-Ahlborn公式总是一个上限，其在热力学力的值增加时接近，即在线性范围之外。在我们所有的分析中，绝热极限$τ\to \infty$和小力极限$δ,ε\to 0$没有直接关系。
2016-04-18 cond-mat.stat-mech
Adiabatic computing for optimal thermodynamic efficiency of information processing
本文研究快速信息处理中的热力学效率问题，证明欠阻尼系统在耗散消失极限下可实现与环境热绝缘的绝热快速擦除，将Landauer界限优化为绝热界限$W_a = k_B T_0$。
2024-01-10 cond-mat.stat-mech
Fast calculation of thermodynamic and structural parameters of solutions using the 3DRISM model and the multi-grid method
提出了一种求解三维参考相互作用场模型（3DRISM）积分方程的新方法。该算法使用多重网格技术，允许减少计算膨胀。在不同网格上对四种化合物（氩、水、甲烷、甲醇）的水溶液进行3DRISM计算，以确定计算误差对网格参数的依赖性。它表明，在网格上的计算与步骤0.05 \Angstr和缓冲8 \Angstr给出的溶剂化自由能计算的误差小于0.3千卡/摩尔，这是可比的实验测量的准确性。算法的性能进行了测试。结果表明，该算法是在平均超过12倍的速度比标准的Picard直接迭代法。
2012-04-30 cond-mat.stat-mech
Thermodynamic uncertainty relation for time-delayed Langevin systems
热力学不确定性关系，建立了一个普遍的权衡之间的相对波动的任意电流和耗散，已被发现为各种马尔可夫系统。然而，这种关系还没有被揭示为非马尔可夫系统。因此，我们研究了时滞Langevin系统的热力学不确定关系。首先，我们用数值方法证明了传统的不确定性关系在某些时滞系统中不成立，这表明下界应该被细化以维持不等式的有效性。通过引入广义总耗散等于总熵产生，我们发现这类系统存在类似的不确定关系。具体地说，我们证明了在一个有限的观测时间的任意电流的波动在稳态的广义总耗散约束。这个广义量的速率总是正的，并且由系统中任意电流的平方从下到上有界。这种不确定性关系可以被认为是广义不确定性关系，对于非延迟朗之万系统，它归结为一个传统的不等式。我们验证了推导出的不确定性关系的数值，并证明其有效性的mixselator系统，周期布朗运动，和一个简单的二维模型。
2019-02-20 cond-mat.stat-mech
The Third Law of Quantum Thermodynamics in the Presence of Anomalous Couplings
解析地得到了与热浴耦合的谐振子的量子热力学函数。结果表明，自由能和熵随温度的衰减比通常的耦合形式快。这意味着速度相关的耦合有助于确保热力学第三定律。
2008-01-26 cond-mat.stat-mech
From Quantum Dynamics to the Second Law of Thermodynamics
在满足本征态等权假设的量子系统中[4]，最大功原理（对于极慢和相对较快的操作）仅通过使用量子动力学导出。这可能是在宏观热力学和微观量子动力学之间建立牢固联系的关键一步。对于文献[4，5]中介绍的特殊模型，最大功原理的推导可以在不引入任何未经证明的假设的情况下进行。
2000-05-08 cond-mat.stat-mech
Fastest Frozen Temperature for a Thermodynamic System
对于一个在高温下同时满足均分定理和低温下同时满足第三定律的热力学系统，其比热与温度的关系曲线有两个共同的性质：当温度为零时，它终止于零，随着温度的升高，它逐渐收敛于一个常数。由于当比热几乎达到均分值时，总是可以找到特征温度$T_{C}$来标记激发温度，所以找到与$T_{C}$互补的低温区间中的温度是合理的。本研究报告了一个可能普遍存在的这样一个温度$\vartheta$，定义为在该比热下降\textit{fastest}随着温度的降低。对于固体的德拜模型，在温度$\vartheta$以上，德拜定律开始失效。
2020-05-04 cond-mat.stat-mech quant-ph
Digitally Optimized Initializations for Fast Thermodynamic Computing
School of Physics, Trinity College Dublin（都柏林三一学院物理学院）
本文提出一种混合数字-热力学算法，通过受迈佩马效应启发的优化初始化加速热力学计算，减少热化时间，适用于二次能量景观的过阻尼兰格汉斯动力学。
2026-03-25 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph quant-ph
Relating the thermodynamic arrow of time to the causal arrow
考虑一个由慢子系统S和快子系统F组成的哈密顿系统。S的自治动力学是由一个有效的哈密顿量驱动的，但它的热力学是出乎意料的。我们表明，一个定义良好的热力学箭头的时间（第二定律）出现S时，有一个定义良好的因果箭头从S到F和反作用是可以忽略不计的。这是因为F对S的反作用是由一个非全局的哈密顿玻恩-奥本海默项描述的，它违反了刘维尔定理，使得第二定律不适用于S。如果S和F是混合的，在因果箭头条件下，它们由微正则分布P（S）和P（S）描述|F）。它们的结构支持最近在机器学习中提出的因果推理原则。
2007-08-08 cond-mat.stat-mech
Thermodynamic concentration inequalities and tradeoff relations
该研究提出热力学浓度不等式，为量子与经典马尔可夫过程可观测量分布定界，由此推导出推广速度极限与热力学不确定关系的普适权衡关系，明确了浓度不等式在热力学中的作用。
2024-11-04 cond-mat.stat-mech
Irreversible Thermodynamics in Multiscale Stochastic Dynamical Systems
这项工作扩展了最近开发的理论的一个相当完整的热力学形式主义的离散状态，连续时间马尔可夫过程和没有细致平衡的结果。本文旨在研究多尺度随机系统的热力学结构是否以及如何保持不变的问题。即在不同的时间尺度和分辨率下观察系统时，状态和过程变量的热力学函数之间的关系是否保持不变。我们的结果表明，在一个快的时间尺度上的动力学贡献的熵项的“内能函数”，$u_S(x)$，为缓慢的动力学。基于条件自由能$u_S(x)$，人们可以将慢动力学视为不存在快动力学。此外，我们表明，自由能，它的特点是自发组织在一个系统中没有细致平衡，是不变的快速动态或没有：快速动态被假定为达到平稳性瞬间在缓慢的时间尺度上，他们对系统的自由能没有影响。对于熵和内能，情况就不同了，它们都包含来自快速动力学的相同贡献。我们还调查的后果的时间尺度分离的准stationaryty和稳态绝热的概念引入唯象稳态热力学。
2011-05-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech math-ph
The Bayesian Second Law of Thermodynamics
我们推导出一个广义的热力学第二定律，使用贝叶斯更新明确纳入系统的测量在其演变的某个点的影响。通过允许实验者的知识被测量过程更新，这个公式解决了统计系统的熵有时会向下波动的事实与随机演化系统的知识随时间推移而退化的信息论思想之间的紧张关系。贝叶斯第二定律可以写为$ΔH(ρ_m, ρ) + \langle \mathcal{Q}\rangle_{F|m}\geq 0$，其中$ΔH(ρ_m, ρ)$是原始相空间概率分布$ρ$和测量更新分布$ρ_m$之间的交叉熵的变化，并且$\langle \mathcal{Q}\rangle_{F|m}$是从系统流出的广义热流的期望值。我们还推导出第二定律的改进版本，该第二定律将熵增加从下面约束为非负数，以及Jarzynski等式的贝叶斯版本。我们证明了使用简单的分析和数值例子的形式主义。
2017-04-03 cond-mat.stat-mech hep-th
NEP-MB-pol: A unified machine-learned framework for fast and accurate prediction of water's thermodynamic and transport properties
本文提出NEP-MB-pol框架，将基于MB-pol数据训练的神经演化势与路径积分分子动力学及量子校正结合，在宽温度范围内同时快速准确预测水的自扩散系数、粘度和热导率等热力学与输运性质。
2024-11-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Nonequilibrium thermodynamics and optimal cooling of a dilute atomic gas
表征和优化远离平衡的热力学过程是一个挑战。这对于由少量粒子组成的纳米级系统尤其如此。在这里，我们在理论和实验上研究的非平衡动力学的几个非相互作用的铯原子的气体被限制在一个非谐波光偶极阱和暴露于简并拉曼边带冷却脉冲。我们确定的轴向相空间分布的原子后，每个拉曼冷却脉冲通过跟踪位置分辨荧光成像的气体的演变。我们从它评估的熵产生和统计长度之间的每个冷却步骤。由于没有粒子间的碰撞，单个拉曼脉冲导致一个自身不会热化的非平衡态。热化可以通过结合自由相空间演化和冷却脉冲串来实现。我们最小化的熵产生的目标热状态，以指定的最佳间距之间的序列的等距脉冲，并以这种方式实现最佳热化。最后，我们使用统计长度来验证热力学第二定律的改进版本。总之，这些发现提供了一个一般的，理论和实验，框架来分析和优化远离平衡过程的少粒子系统。
2020-04-28 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech physics.atom-ph
Designability, thermodynamic stability, and dynamics in protein folding: a lattice model study
在蛋白质折叠的格子模型研究的框架下，我们研究了可设计性、热力学稳定性和动力学之间的相互作用。要成为“蛋白质样”，杂聚物必须是化学稳定的，对氨基酸序列突变稳定的，并且必须是快速折叠的。我们发现了两个标准，这两个标准共同保证了一个序列将是“蛋白质样”的：i）基态是一个高度可设计的结构，i。e.所述天然结构是大量序列的基态，和ii）所述序列具有大的$Δ/Γ$比，$Δ$是基态和激发的紧密构象之间的平均能量分离，和$Γ$是激发的紧密构象的能量色散。这两个标准不是不相容的，因为平均而言，其基态是高度可设计结构的序列具有大的$Δ/Γ$值。这两个标准只需要知道紧态谱。通过Borst-Kalos-Lebowitz算法和Ferrenberg-Swendsen直方图优化方法对45个序列进行研究，证实了这些声明，这些序列具有不同的$Δ/Γ$值和不同程度的可设计性。最后，我们报告的原因缓慢折叠。一个非常缓慢的折叠序列，平均折叠和快速折叠之间的比较表明，缓慢折叠起源于近紧凑的低能量构象的扩散，不存在快速文件夹。
1998-06-16 cond-mat.stat-mech q-bio
Experimental Validation of Fully Quantum Fluctuation Theorems Using Dynamic Bayesian Networks
涨落定理是热力学第二定律在小系统中的基本推广。它们在远离平衡态时的普遍有效性使得它们在非平衡态物理学中是无价的。到目前为止，量子涨落关系的实验研究还没有考虑到量子关联和量子相干性这两个基本的量子特性。在这里，我们实验验证详细的和完整的热交换使用两个量子相关的热自旋-1/2在核磁共振设置的量子涨落定理。我们特别确认了量子相关性和量子相干性以及所有量子贡献之和的个体积分波动关系。第二定律的这些精确表述对于研究非平衡态热力学的全量子特性是重要的。
2022-03-24 cond-mat.stat-mech quant-ph
Optimally Fast Qubit Reset
本文提出通用框架确定任意重置速度下量子比特重置的最小热力学代价与最优协议，揭示短时极限下最小熵产生的发散行为取决于跳跃算符性质，并指出超欧姆玻色子热库是合适选择。
2024-12-06 cond-mat.stat-mech quant-ph
Modified Tucker Decomposition for Tensor Network and Fast Linearized Tensor Renormalization Group Algorithm for Two-Dimensional Quantum Spin Lattice Systems
本文提出了一种新的张量网络Tucker分解算法，该算法可以高效精确地计算二维量子自旋晶格系统的基态和热力学性质，并被称为快速线性化张量重整化群（fLTRG）.通过对蜂窝晶格上自旋为1/2的各向异性海森堡反铁磁体的研究，验证了该方法的有效性和精确性，其结果与量子MonteCarlo计算结果相当一致.将其成功地应用于准二维自旋1/2阻挫双层蜂窝海森堡模型，发现了从有序反铁磁态到无隙量子自旋液体相的量子相变，并探讨了该阻挫自旋系统的热力学行为.本fLTRG算法可以很容易地扩展到其他量子晶格系统。
2011-12-12 cond-mat.stat-mech cond-mat.str-el physics.comp-ph
Shortcuts to Thermodynamic Computing: The Cost of Fast and Faithful Erasure
朗道原理指出，信息处理的能量成本必须超过温度和信息承载自由度的香农熵变化的乘积。然而，这个下限只有在准静态的、接近平衡的计算中才能达到，也就是说，只有在无限长的时间内才能达到。在实践中，信息处理发生在有限的时间，导致耗散和潜在的不可靠的逻辑结果。对于过阻尼朗之万动力学，我们表明，反绝热潜力可以制作，以引导系统快速，准确地沿着所需的计算路径，提供快捷方式，允许有限时间计算的精确设计。这样的捷径需要额外的工作，超出了兰道的界限，这是不可挽回地消散到环境中。我们表明，这种耗散的工作是成正比的计算速度，以及信息存储系统的长度尺度的平方。作为一个典型的例子，我们设计了快捷方式来擦除亚稳定存储在双阱势中的一点信息。虽然耗散功一般随着擦除保真度的增加而增加，但我们证明了在有限时间内用有限的功进行完美擦除是可能的。我们还表明，信息存储的鲁棒性会影响擦除的能量成本-具体地说，耗散的工作尺度作为系统的信息寿命。我们的分析揭示了工作，速度，信息承载自由度的大小，存储鲁棒性以及初始和最终信息统计之间的差异之间的丰富而微妙的关系。
2018-12-28 cond-mat.stat-mech cs.ET cs.IT
