Finite-Time Thermodynamics of Fluctuations in Microscopic Heat Engines
当系统尺寸较小时，热力学量的波动变得不可忽略，并起着重要的作用。我们发展了微观热机中涨落的有限时间热力学，其环境温度和力学参数随时间周期性变化。在慢驱动制度，这种形式主义普遍持有的粗粒度的时间尺度，其分辨率是远远长于相关时间的波动，并被证明是一致的类似的波动耗散关系的关系。采用几何参数，同时最小化的卡诺循环中的耗散的平均值和波动的情况下确定。对于这种同时优化，尺度不变平衡态的奇异度量的零特征值的存在被发现是必不可少的。此外，我们证明了我们的优化协议可以改善当前实验的耗散及其波动。
2022-01-22 cond-mat.stat-mech quant-ph
Effective thermodynamics of isolated entangled squeezed and coherent states
精确计算了双模压缩态和多模Silbey-Harris极化子纠缠态等模分孤立系的Rényi纠缠熵.有效的热力学描述的相关分区构造目前的量子信息理论概念的热力学语言。通过推导有效温度与物理纠缠参数之间的精确关系，从纠缠谱中获得玻尔兹曼权重。由此得到的有效热理论的配分函数可以直接从单副本纠缠中得到。
2015-08-06 cond-mat.stat-mech gr-qc hep-th
Thermodynamic Geometry of Microscopic Heat Engines
我们开发了一个几何框架来描述由缓慢的周期性温度变化和机械控制参数的调制驱动的微观热机的热力学。涵盖经典和量子制度，我们的方法揭示了一个普遍的效率和功率之间的权衡关系，仅从几何参数，并持有任何物理一致的微观动力学。专注于Lindblad动力学，我们得出的第二个界限表明，作为一个真正的量子效应的一致性不可避免地降低了性能的缓慢发动机循环，无论驱动振幅。为了证明我们的结果的实际适用性，我们制定了一个单量子位的热机，这是在当前的固态技术的范围内的例子。
2019-07-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Microscopic origin of the second law of thermodynamics
证明了当随机变量涨落服从中心极限定理时，测不准关系的等式对应于热力学平衡态。该不等式对应于热力学非平衡态。不确定关系是热力学第二定律的量子力学表述，起源于波粒二象性。在最小测不准关系下，得到了随机涨落调整后的均方差变化公式。最后，提出了一个有待检验的假设。我们在讨论中不包括相变.
2005-05-29 quant-ph
The Passivity Deformation Approach for the Thermodynamics of Isolated Quantum Setups
最近实现的量子设备，如量子处理器和量子模拟器，将高度复杂的量子动力学与高分辨率测量相结合。我们提出了一种被动变形的方法，设置热力学约束的演变，这样的量子器件。该框架通过同时解决第二定律在微观设置中的四个主要缺陷来增强热力学预测能力：i）即使在微观环境中也产生紧边界; ii）解决了超冷灾难; iii）它能够将守恒定律整合到热力学不等式中以使它们更紧; iv）它限制了非能量基础的可观测量，因此不会出现在热力学第二定律中。此外，该框架提供了对非热环境、相关环境以及微观设置中的粗粒度化的见解。我们的发现可以被探索和用于物理设置，如囚禁离子，超导电路，光晶格中的中性原子等。
2019-12-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Experimental detection of microscopic environments using thermodynamic observables
现代热力学理论可以用来研究高度复杂的量子动力学。在这里，我们通过实验证明，违反热力学约束允许检测量子系统到隐藏环境的耦合。通过使用IBM量子超导处理器，我们进行热力学测试，以检测与多达四个量子比特组成的系统相互作用的量子比特环境。理论研究结果表明，有效的可扩展性的测试系统的大小方面的实验是补充。因此，他们可能是有用的，以检测一个开放的系统动力学的情况下，其他方法（例如量子态断层扫描）是实际上不可行的。
2021-03-09 quant-ph
Emergence of Thermodynamics from Equilibration in Isolated Quantum Systems
Instituto de Física, Universidade Federal Fluminense（弗鲁米嫩塞联邦大学物理研究所）
证明任何连续可微的平衡期望值函数也平衡，并应用于二分孤立系统，展示熵和共轭变量平衡，以及总熵动态最大化，为热力学平衡条件的涌现提供动力学基础。
2026-06-27 quant-ph
Emergence of equilibrium thermodynamic properties in quantum pure states. I. Theory
量子统计力学的基础研究最近进入了一个复兴时期，由于新的直觉从量子信息理论和越来越多的关注单量子系统的动力学方面。本文介绍了一个简单而有效的理论框架，用以阐明孤立量子系统的平衡态的纯力学描述和热力学表征之间的联系。我们的方法的一个显着特点是在孤立的量子系统的描述中的统计方面和动力学方面之间的非常透明的区别。像在经典的统计力学，任何属性的平衡分布的基础上确定的时间演化的考虑系统。因此，由于薛定谔动力学中运动常数丰富，量子系统的平衡性质似乎取决于初态的细节。另一方面，在纯态的统计系综中，对某些函数（如熵或子系统的平衡态）的概率分布的研究揭示了典型性作为宏观热力学和微观量子动力学之间桥梁的关键作用。我们将考虑两个特殊的系综：随机纯态系综和固定期望能量系综。介绍系综之间的关系，一个给定的孤立系的属性，和标准的量子统计描述讨论整个演示文稿。最后指出了为了得到孤立量子系统的有意义的物理表征，系综所应满足的条件。
2010-07-21 cond-mat.stat-mech quant-ph
About Standpoints for Surmounting Reversibility and Recurrence Paradoxes in Theoretical Thermodynamics
可逆性和递归性佯谬是19世纪以来热力学基础研究中一直未能解决的关键问题。本文表明：（1）如果我们注意观测量，可逆性佯谬是可以克服的，观测量代表了可逆性特征在不可观测区域运动的净结果;（2）如果我们从内部观察一个孤立系，其中没有离散能级的系统，递归佯谬是可以克服的。这些论证证实了所报道的结论的正确性，即孤立系中熵增加的起源是微观粒子自发地扩散到每一个可能的空间区域的基本性质。
2021-07-26 cond-mat.stat-mech quant-ph
Stochastic independence as a resource in small-scale thermodynamics
在热力学中众所周知，相关性的产生需要功。因此，如果热力学变换A->B是不可能的，那么在把A送到B的过程中还关联了一些辅助系统C的任何变换也是不可能的，这似乎是一个不言而喻的道理。令人惊讶的是，我们表明，这不是微观系统的非平衡态热力学的情况。相反，相关性的建立极大地扩展了可访问状态的集合，以至于我们可以在单个系统上执行任何变换，而这些变换只有在涉及的系统数量非常大的情况下才有可能在Single Shot中执行。我们还表明，人们只需要在少量的辅助系统（永远不超过三个）之间创建一个消失的少量的相关性（通过互信息测量）。微观热力学的许多严格的限制被简化为唯一的要求，即非平衡自由能在相变中减小。这表明，在原则上，等于系统自由能的功的可靠提取可以由微观引擎执行。
2015-10-10 cond-mat.stat-mech quant-ph
Emergence of a second law of thermodynamics in isolated quantum systems
该研究针对孤立量子系统中薛定谔方程保熵与热力学第二定律熵增的矛盾，通过推导可观测量平衡新边界、定义相对可观测量的熵，得到第二定律的变体，并用量子伊辛模型数值验证，支持平衡无需非可积性的结论。
2025-01-15 cond-mat.stat-mech quant-ph
The Trinity of Markovian Quantum Thermodynamics: Unifying the Axiomatic, Microscopic, and Operational Paradigms
Trinity College Dublin（都柏林三一学院）；Trinity Quantum Alliance（三一量子联盟）；University of Vienna（维也纳大学）；Heriot-Watt University（赫瑞瓦特大学）
研究马尔可夫量子热力学中三种范式的关系，通过证明满足特定条件的热林德布拉德算符在三种范式下的等价性统一现有方法，还给出微观协议模拟热马尔可夫过程并通过实例说明适用性，为其建立统一基础。
2026-07-20 quant-ph
Microscopic diagonal entropy and its connection to basic thermodynamic relations
我们定义一个任意哈密顿系统的对角熵（d熵）为$S_d=-\sum_n ρ_{nn}\ln ρ_{nn}$，其和取在瞬时能态的基础上。在平衡状态下，这个熵与传统的冯诺伊曼熵$S_n=-{\rm Tr}\, ρ\lnρ$一致。然而，与$S_n$相反，d-熵在封闭的哈密顿系统中在时间上不守恒。如果系统最初处于稳态，那么根据热力学第二定律，d熵只能增加或保持不变。我们还表明，d-熵可以表示通过能量分布函数，因此它是可测量的，至少在原则上。在哈密顿量的局部性和不可积性的非常一般的假设下，d-熵成为大系统中平均能量的唯一函数，并自动满足基本的热力学关系。对于准静态过程，这种关系可归结为热力学热力学第一定律。对于绝热过程，d熵也自动守恒。我们用明确的例子说明了我们的结果，并表明$S_d$的行为与热力学的预期一致。
2010-09-10 cond-mat.stat-mech hep-th quant-ph
Microscopic Legendre Transform, Canonical Ensemble and Jaynes' Maximum Entropy Principle
本文提出自由能与香农熵之间的微观勒让德变换，以微观态概率和缩放能量为共轭变量，利用香农熵的精确微分性质推导正则系综核心关系，并与Jaynes最大熵原理比较，为信息熵与热力学熵的联系提供新视角。
2025-01-10 cond-mat.stat-mech quant-ph
Process of equilibration in many-body isolated systems: Diagonal versus thermodynamic entropy
最近发现，由有限个粒子组成的孤立量子系统的猝灭动力学的特征是波包在多体希尔伯特空间中的指数扩展。当粒子间相互作用足够强时，就会发生这种情况，从而导致在未微扰基础上考虑的多体本征态的混沌结构。这里使用的半分析方法，允许一个估计的指数增长率以及弛豫时间，之后的平衡（热化）出现。描述该过程的关键成分参数是由初始激发态、粒子数和相互作用强度定义的局域态密度（LDoS）的宽度$Γ$。在本文中，我们表明，除了$Γ$作为生存概率的衰减率的意义，LDOS的宽度是直接相关的对角熵和后者可以连接到一个系统的热力学熵的平衡态后出现的完全放松。有关两个熵的解析表达式推导出唯象和数值证实的随机两体相互作用的玻色子模型，以及在一个确定性的模型，成为完全可积的连续极限。
2020-03-20 cond-mat.stat-mech nlin.CD quant-ph
Global passivity in microscopic thermodynamics
联系经典热力学和小量子系统热力学的主线是著名的克劳修斯第二定律不等式。然而，它在小量子系统中的应用遇到了两个主要问题：（i）当系统和环境最初相关时，克劳修斯不等式不成立-这是微观设置中常见的情况。(ii)在其他一些情况下，克劳修斯不等式不提供任何有用的信息（例如在失相场景中）。我们解决这些不足之处，发展的概念，全球被动性，并采用它作为一种工具，推导热力学不等式的观测。对于初始不相关的热环境，全局无源性框架恢复克劳修斯不等式。更一般地说，全局无源性提供了克劳修斯不等式的扩展，即使在强初始系统环境相关性的存在下也成立。至关重要的是，本框架提供了期望值的额外热力学界限。为了说明额外的界限的作用，我们用它们来检测不明热泄漏和弱反馈操作（“麦克斯韦恶魔”），克劳修斯不等式不能检测。此外，它表明，整体被动性可以把实际的上限和下限的系统与环境的相关性的建立退相相互作用。我们的发现与各种系统中的实验高度相关，如离子阱，超导电路，光学腔中的原子等。
2018-05-01 quant-ph
Microscopic Work Distribution of Small System in Quantum Isothermal Process
对于二能级量子力学系统，我们从微观上导出了多步非平衡过程中微观功涨落的精确表达式，并严格证明了在等温过程中，微观功的涨落小到几乎为零，最几率的功正好等于自由能之差.我们的研究表明，等温过程中微观功的收敛性是由于等温过程的本质，而不是通常的热力学极限条件。我们的研究证明了即使对于远离热力学极限的小系统，第二定律的“最小功原理”表述也是有效的。
2008-06-15 cond-mat.other cond-mat.stat-mech quant-ph
From microscopic dynamics to macroscopic irreversibility
本文证明了N体孤立系的熵不可能减少，且只要系统具有平衡态，熵产生是非负的。我们将熵定义为n粒子约化密度算子（n=0，...，N）推广了冯诺依曼细粒度熵公式。此外，作为我们的分析的结果，我们发现的平衡n粒子约化密度运营商，进入熵的定义，以及在一个不可逆的过程中耗散的能量的表达。
2006-10-02 cond-mat.stat-mech quant-ph
Macroscopic and Microscopic Thermal Equilibrium
研究孤立量子系统中热平衡的性质和接近方法。一个孤立的宏观量子系统在纯态或混合态下，如果所有宏观观测量都相当精确地假定为热力学的值，那么它就被认为处于热平衡。对于这样的系统（或状态），我们说它处于宏观热平衡（MATE）。比MATE更强的要求是，即使是微观的可观测量（即，指的是小的子系统）具有与从微正则系综或等价的正则系综获得的概率分布一致的概率分布。对于这样的系统，我们说它处于微观热平衡（MITE）。MITE和MATE之间的区别对于具有多体局域化（MBL）的系统特别相关，对于MBL，能量本征函数不能在MITE中，而它们中的大部分（但不是全部）必须在MATE中。然而，如果我们考虑能量本征函数的叠加（即，典型的波函数$ψ$），那么对于一般的宏观系统，包括那些具有MBL的系统，大多数$ψ$都在MATE和MITE中。我们在这里探索MATE和MITE的性质，并比较这两个概念，从而详细阐述[Goldstein et al.，Phys.Rev.Lett. 115：100402（2015）]。
2017-01-12 cond-mat.stat-mech quant-ph
Geometry of work fluctuations versus efficiency in microscopic thermal machines
在设计微型机器时，由于随机波动的影响，提高效率通常会以降低可靠性为代价。在这里，我们开发了一个通用的方法进行多目标优化的效率和工作波动的热机接近平衡的经典或量子制度。我们的方法利用热力学几何技术，使我们匹配最佳解决方案的协议参数化的热力学长度。连续变量高斯机，这形成了一个重要的类在微观系统的热力学研究的最佳协议。
2020-12-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Experimental demonstration of quantum effects in the operation of microscopic heat engines
热机是从热源中提取有用功的机器，是经典热力学的基本理论结构和基本应用之一。热机的经典描述不包括其微观自由度的相干性。相比之下，量子热机的内部状态可能具有相干性。虽然卡诺效率不能被超越，并且相干性在某些条件下可能会降低性能，但最近预测，即使仅使用热资源，内部相干性也可以使量子热机能够产生比使用相同资源的任何经典热机更多的功率。因此，这种功率提升构成了量子热力学特征。它也已被证明，相干的存在下的结果在热力学等效的不同的量子热机类型，没有经典的对应效果。最近已经用捕获的离子实现了微观热机，并且已经提出了使用超导电路和光学机械的热机的建议。然而，当使用标准热浴操作时，迄今为止实现的机器在其热力学量中没有表现出任何固有的量子特征。在这里，我们实现了两种类型的量子热机通过使用金刚石中的氮空位中心的系综，并实验证明了相干功率提升和不同的热机类型的等效性。这是第一次在热机中观察到量子热力学特征。
2018-01-05 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph quant-ph
The Second Law of Thermodynamics under Unitary Evolution and External Operations
一个孤立量子系统中热力学熵的微观定义必须满足（i）可加性，（ii）可拓性和（iii）热力学第二定律。我们表明，对角熵，这是香农熵的能量本征基在每个时刻，满足前两个要求，第三个要求是满足的，如果一个任意的外部操作是在典型的时间进行。根据对角熵，热力学不可逆性来自以下事实：哈密顿动力学限制了幺正演化下的量子轨道，并且外部操作是在不参考系统微观状态的任何特定信息的情况下进行的。
2014-01-13 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech quant-ph
Detection of isolated specular reflection for calibration of cloud thermodynamic phase estimation with quantum parametric mode sorting LIDAR
针对近天底指向太空LIDAR中镜面反射干扰云热力学相态确定的问题，提出利用量子参数模式分选（QPMS）LIDAR通过非线性相互作用实现强噪声抑制以偏置镜面贡献来校准测量，并提供了理论模型验证其可行性。
2025-11-03 physics.ao-ph quant-ph
Collapse of the Entangled State and the Entropy Increase in an Isolated System
我们证明了在一个孤立系中，量子态的坍缩使系统的熵增加。因此，热力学第二定律以其最一般的形式得到了证明。
2005-12-04 quant-ph
Probabilistic Hysteresis in an Isolated Quantum System: The Microscopic Onset of Irreversibility from a Quantum Perspective
近年来，人们在大粒子数的限制下研究了超冷原子孤立哈密顿系统的概率滞后，在这种情况下，半经典处理是足够的。在这些扫描实验中，控制参数被缓慢地（动态地）来回调整，不可逆性的起源被证明是穿过分界线的来回蓝色通道（可积情况）或进出相空间中混沌海洋的通道（混沌情况）。在这里，我们专注于完整的量子力学描述的可积系统，并显示半经典的结果出现在大粒子数的限制。在相空间中，经典绝热性失效的分界线的交叉，量子系统中不可逆性的起源是绝热能级的一系列避免的交叉：它们变得如此接近，以至于对于适度的粒子数，外部参数的变化已经不切实际地缓慢，以达到完全可逆演化的量子绝热极限。对于一个缓慢的，但有限的扫描速率，我们发现一个广泛的制度，量子结果同意半经典的结果，但只有当除了限制$N\to \infty$的初始系综的状态被认为是具有足够的初始能量宽度。相反，对于单个初始能量本征态，我们发现后向扫描揭示了强的量子效应，即使对于非常大的粒子数。
2020-03-26 cond-mat.quant-gas quant-ph
Microscopic Foundations of Ohm and Joule's Laws - The Relevance of Thermodynamics
我们对导电的微观解释作一个简要的历史叙述。这个简短的评论的目的之一是表明，热力学是基本的理论理解的现象。我们讨论了如何第二定律，实施范围内的量子统计力学，可以很自然地用来给数学意义的导电性非常一般的量子多体模型。这让人想起J. P.焦耳的原始想法。我们从欧姆和焦耳的发现开始，接着描述德鲁德模型的电导率。讨论了量子力学和安德森模型的影响。该论述是关闭与介绍我们的方法电导率的基础上，第二定律的热力学系统的被动性在热平衡。它导致了相互作用费米子的线性电导率的新的严格结果。一个例子是存在所谓的交流电导率措施，这样一个物理系统。这些措施，而且，在系统中的电流波动的时间相关性的傅立叶变换。即，对于一大类量子力学微观模型，电导率满足Green-Kubo关系。
2016-11-28 math-ph math.MP physics.hist-ph
How isolated is enough for an "isolated" system in statistical mechanics?
在经典热力学中，不可逆过程经常被用来解释熵的增加。然而，相应的物理起源并不总是明确的，例如在一个自由膨胀过程中，在教科书中的一个典型模型。本文研究了具有热德布罗意波长（$λ_{T}$）的粒子在尺寸为$L$的一维正方形阱中自由膨胀时的熵变。通过单独考虑量子退相作为一个不可逆过程，我们恢复了经典区域熵增加的经典结果（$L\ggλ_{T}$），同时预言了量子区域熵增加的显著差异（$L\llλ_{T}$）。有趣的是，失相虽然在经典系统中不存在，但对澄清经典热力学中的奥秘至关重要。
2017-06-08 cond-mat.quant-gas quant-ph
A general theory for irreversible thermodynamics
我们证明，不可逆性产生于微观可逆性的原则和存在的记忆中的时间演化的一个单一的副本的系统驱动的协议。我们引入微观可逆性的概念，使用协议和路径依赖的热力学函数，定义在J. R。Arias-Gonzalez，arXiv：1511.08017 [cond-mat.stat-mech]，以及使用非马尔可夫性概念的记忆，如J.R.阿里亚斯-冈萨雷斯，arXiv：1511.06139 [cond-mat.stat-mech]。我们将功定义为自由能的变化，将热定义为微观系统的熵的变化，单个路径服从协议。我们发现所有的非平衡统计都是自然产生的。特别是，我们得到最已知的波动定理，并制定其他两个。虽然能量守恒调用的水平上的个人途径和整体平均过程中，热力学第二定律和时间箭头，这是唯一的整体平均过程中完成，被证明是微观可逆性和非Markovianity的后果。
2015-11-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Open system dynamics from thermodynamic compatibility
热力学包含一组量子马尔可夫动力学的数学条件。特别是，严格的系统和环境之间的能量守恒意味着耗散动力学映射与幺正系统传播子交换。采用谱分析，我们证明了随后的主方程的一般形式。我们比较这个结果从标准的微观推导得到的主方程。所得到的形式结构可以用来检验近似导数与热力学的相容性。例如，它指定全局主方程是兼容的选择。公理化方法揭示了微观推导中久期近似的有效性，热输运现象中稳态的形式，并表明开放量子系统动力学中缺乏例外点。
2020-12-14 quant-ph
Thermodynamic Irreversibility from Inaccessible Endogenous Quantum Histories
International Centre for Theory of Quantum Technologies, University of Gdańsk（格但斯克大学量子理论国际中心）
该研究探究孤立有限系统的热力学不可逆性，推导熵率并分离熵扩散与返回流，发现不可逆性源于信息无法组织恢复宏观有序的流，而非微观信息丢失。
2026-09-04 quant-ph
Sharp energy self-determination of macroscopic quantum bodies in pure states, as a validation of the First Law of Thermodynamics
我们认为，孤立宏观物体的一大类量子纯态具有尖锐的能量分布峰值，其宽度相对于$\sim N^{-1}$和$\sim N^{-1/2}$之间的平均标度，其中$N \gg 1$是符合物体的原子数量。这些状态是任意有限或无限能量区间内能量本征态的密集叠加，衰减得足够快。能量分布的尖锐性意味着在这些状态下的封闭系统是{\it微正则}，在这个意义上，只有非常接近平均能量的能量本征态有助于它们的热力学演化。由于热力学精确地描述了宏观物体的过程，并要求封闭系统具有恒定的能量，我们的主张是，这些纯态是宏观系统的典型。能量尖锐性背后的主要假设是，如果保持不变，孤立体可以达到热平衡。我们认为，这种自锐性的能量在宏观机构表明，热力学热力学第一定律是统计的性质。
2021-07-13 quant-ph
Geometric quantum thermodynamics: A fibre bundle approach
Theoretical and Experimental Physics Department, Federal University of Rio Grande do Norte（北里奥格兰德联邦大学理论与实验物理系）；QPequi Group, Institute of Physics, Federal University of Goiás（戈亚斯联邦大学物理研究所 QPequi 小组）
本文通过构建主纤维丛，探讨量子热力学的几何结构，揭示其与 gauge 理论的关联，并讨论几何拓扑性质对热力学基本性质的解释作用。
2026-04-09 quant-ph
On the microscopic propagation speed of long-range quantum many-body systems
本文研究长程量子多体系统中的粒子传播速度，提出了一个热力学稳定且适用于微观尺度的最大速度界，并发展了多尺度ASTLO方法，为推导Lieb-Robinson界奠定基础。
2023-11-14 math-ph math.MP quant-ph
Emergent classicality and wavefunction branching in an isolated quantum many-body system
Center for Theoretical Physics — a Leinweber Institute, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院理论物理中心）；Harvard University（哈佛大学）；California Institute of Technology（加州理工学院）；NTT Research, Inc.（日本电报电话公司研究所）
本文证明孤立多体系统中经典性可从内部涌现：通过集体自旋与微观置换扇区的相互作用，推导出有效Lindblad方程，并在热力学极限下收敛为经典混沌Fokker-Planck方程，波函数分支形成正交记录，实现量子-经典对应。
2026-09-18 cond-mat.str-el math-ph math.MP
