Quantum Szilard Engine
西拉德发动机是麦克斯韦恶魔的精髓,它可以利用信息从热浴中提取功。我们提出了第一个完整的量子分析的SZE,并推导出一个解析表达式的量子SZE包含一个任意数量的分子,其中它是至关重要的插入或删除的壁作为一个合法的热力学过程的过程中进行的量子力学工作。我们发现,更多(更少)的工作,可以提取玻色子(费米)的SZE由于全同粒子的不可分割性。
2011-01-08 quant-ph
A quantum Szilard engine without heat from a thermal reservoir
我们研究了一个量子Szilard引擎,它不是由从热库中提取的热量驱动,而是由投影测量驱动。该发动机由系统$\mathcal{S}$、配重$\mathcal{W}$和Maxwell demon $\mathcal{D}$构成,并且经由测量辅助反馈控制提取功。通过对测量和反馈过程施加自然约束,如能量守恒和保持恶魔的记忆完整,我们表明,虽然发动机可以在没有来自热库的热量的情况下工作,但它必须放弃标准Szilard发动机所满足的以下特征中的至少一个:(i)测量的可重复性;(ii)不变的权重熵;或(iii)所有测量结果的积极工作提取。这一结果被证明是一个后果的维格纳荒木柳濑(WAY)定理,它施加限制的可观测量,可以测量下添加剂守恒律。这一观察结果是发展“第二定律”关系的测量辅助反馈控制超越热的第一步。
2017-11-16 quant-ph
Classical and Quantum Szilard Engine under Generalized Uncertainty Principle Effect
研究了广义不确定原理(GUP)作用下的Szilard发动机。在经典的Szilard发动机中,发动机所做的功通过经修改的理想气体定律由GUP效应减少。在量子Szilard引擎中,校正来自于由于非线性动量依赖而引起的本征能量的移动。我们研究了它对玻色子和费米子分子的影响。
2016-07-10 hep-th quant-ph
Revisiting the quantum Szilard engine with fully quantum considerations
通过考虑插入过程中的能级移动,我们重新审视了量子Szilard引擎(QSZE)与充分的量子考虑。在两种不同的循环策略下,导出了系统在一个循环中从热浴中吸收的热量和系统对环境作的总功的一般表达式。我们发现只有量子信息对吸收的热量有贡献,而经典信息起着反馈控制器的作用,对吸收的热量没有直接的影响。这是第一次证明量子信息和经典信息在从QSZE中的浴中提取热量时的不同效果。此外,当阱宽$L\rightarrow \infty $或浴温度$T\rightarrow \infty $时,QSZE减小到经典的Szilard发动机(CSZE),并且总功满足Sang Wook Kim等人[Phys.Rev.Lett.1999]获得的关系式$W_{\mathtt{tot}}=k_{B}T \mathtt{ln}2$。106,070401(2011)]。
2012-08-30 quant-ph
Optimal work of quantum Szilard engine
我们找到了多粒子量子Szilard发动机(SZE)工作的最佳条件。通常循环发动机的最佳工作是在整个热力学过程可逆时实现的。虽然量子SZE本身包含一个不可逆过程,但我们仍然可以基于时间向前和向后过程的力来定义有效的可逆协议。
2014-01-08 cond-mat.stat-mech quant-ph
Thermodynamic Value of XOR-Game-Induced Side Information in a Szilard Engine
International Centre for Theory of Quantum Technologies, University of Gdańsk(格但斯克大学量子理论国际中心)
本文引入一种塞拉尔型热力学估值方法,通过将贝尔型关联诱导的边信息通道建模为二元对称通道,并利用XOR博弈获胜概率确定反馈价值,从而给出局域、量子和非信号行为集对应的热力学上限。
2026-09-09 quant-ph
Supremacy of the quantum many-body Szilard engine with attractive bosons
在一个经典的思想实验中,西拉德提出了一个热机,其中一个粒子,例如一个原子或一个分子,被限制在一个容器中,与一个单独的热浴相连。该容器可以通过用作活塞的可移动壁分成两个部分。在发动机的单个循环中,可以从颗粒位于活塞的哪一侧的信息中提取功。输出的功符合朗道原理,即擦除一位信息的代价是熵kB ln 2,说明了功、热和信息之间的基本关系。在这里,我们将Szilard引擎的概念应用于完全相互作用的量子多体系统。我们发现,一个工作介质的一些玻色子(大于或等于两个)有吸引力的相互作用显然优于其他先前讨论的设置。与经典情况形成鲜明对比的是,我们发现平均功输出随粒子数的增加而增加。最高的过冲发生在一个小的但有限的温度下,显示了热效应和量子效应之间复杂的相互作用。我们预计,我们的发现将为信息在控制深量子机制中的热力学波动方面的作用提供新的线索,这些机制受到相互作用系统中量子相关性的强烈影响。
2017-01-27 quant-ph
The Harmonic Quantum Szilárd Engine
Szilárd引擎是一种将信息转换为能量的机制(类似于麦克斯韦的恶魔),这似乎违反了热力学第二定律。最初是一个经典的思想实验,它被扩展到一个量化的治疗Zurek。在这里,我们研究了一个新的,优雅的量子Szilárd引擎模型,通过用谐波势取代传统的刚性盒子,扩展了模型的范围。值得注意的是,几乎所有的计算都是精确的。本文适合于对信息、熵和量子测量之间的概念联系感兴趣的学生、研究人员和教育工作者。
2022-08-26 cond-mat.stat-mech quant-ph
The irreversibility cost of purifying Szilard's engine: Is it possible to perform erasure using the quantum homogenizer?
擦除是信息处理的基础。它也是连接信息论和热力学的关键,因为它是一个逻辑上不可逆的任务。我们提供了一个新的角度对这个连接,注意到可能有一个额外的成本擦除,这是没有捕获的标准结果,如兰道的原则。为了说明这一点,我们使用了一个基于构造者理论的不可逆性模型--构造者理论是最近提出的对计算的量子理论的推广。该模型使用了一种称为“量子均化器”的机器,它有能力近似实现量子比特从任何状态到任何其他状态的转换,并且通过整体完全幺正的相互作用保持近似不变。我们认为,当通过量子均匀化执行擦除时,执行Szilard引擎的擦除步骤会产生额外的成本,因为在一个周期中可靠地产生纯态比产生混合态更困难。我们还讨论了这一结果的影响,擦除成本更一般的条款。
2022-05-23 quant-ph
Landauer's Principle in a Quantum Szilard Engine Without Maxwell's Demon
量子Szilard发动机是热力学、信息论和量子力学的充分结合。西拉德发动机通常由麦克斯韦恶魔操作,其中朗道原理解决了明显的悖论。在这里,我们提出了一个Szilard发动机设置没有明确的麦克斯韦恶魔。在一个没有魔鬼的Szilard发动机中,不需要获取哪一边的信息,但是擦除和相关的散热仍然隐含地发生在功提取过程的本质上。我们看到,在量子Szilard引擎中插入分区并没有将粒子局限于一侧,相反,它创建了粒子在两侧的叠加态。为了能够从系统中提取功,粒子必须定位在一侧。定位是对粒子进行量子测量的结果,这表明测量过程的重要性,无论是否使用所获取的信息。根据朗道原理,通过量子测量的定位对应于逻辑上不可逆的操作,并且为此,它必须伴随着相应的热耗散。这表明,即使在没有麦克斯韦妖的量子Szilard引擎中,Landauer原理也是有效的。此外,我们充分考虑到量子限制效应,在量子制度彻底分析的Szilard循环,并获得高精度的解析表达式的工作和热交换。我们的研究结果表明,朗道的原则持有的关键作用,以了解热力学的局部化粒子的量子测量,这明确地保存第二定律中的魔鬼引擎,并表明,量子力学的考虑是必不可少的调和热力学和信息论。
2019-08-09 cond-mat.stat-mech quant-ph
Bosonic Szilard Engine Assisted by Feshbach Resonances
最近发现,量子Szilard引擎中的信息-功转换可以通过使用具有吸引相互作用的玻色子工作介质来增加。在最初的方案中,功输出取决于一个不可穿透的屏障的插入和移除位置,该屏障的作用类似于活塞,将发动机的腔室分开。在这里,我们表明,势垒去除过程可以完全可逆的,导致在一个完整的信息到工作的转换,如果我们也允许在循环过程中的相互作用强度的变化。因此,可以达到热力学第二定律规定的每个循环的最大功输出。例如,这些发现可以用超冷原子作为工作介质进行实验验证,其中相互作用强度的变化可以由费什巴赫共振控制。
2018-03-21 cond-mat.quant-gas quant-ph
Multi-Particle Quantum Szilard Engine with Optimal Cycles Assisted by a Maxwell's Demon
本文给出了由一个工作物质和一个麦克斯韦妖组成的多粒子Szilard发动机的全量子描述。恶魔被建模为具有特定量子控制的多能级量子系统,工作物质由服从玻色-爱因斯坦或费米-狄拉克统计的相同粒子组成。在本说明书中,使用通过较低温度的热浴来擦除恶魔的记忆的可逆方案。结果表明:(1)对于单粒子Szilard发动机,可以对Demon的量子控制进行优化,使Demon辅助热力学循环的效率达到卡诺循环的效率;(2)工质的低温行为对粒子的量子统计特性和隔板的插入位置非常敏感。
2011-12-03 cond-mat.stat-mech physics.data-an quant-ph
Szilard Engines as Quantum Thermodynamical Systems
我们分析了一个发动机的工作流体由一个单一的量子粒子,并行西拉德的建设一个经典的单粒子发动机。在他使用后者解决麦克斯韦第二定律悖论之后,量子引擎的设计反映了经典的混沌Szilard Map,它操作测量,热能提取和内存重置的热力学循环。聚焦于观察和控制粒子的热力学成本,并在量子和经典极限中比较这些成本,我们详细介绍了量子和经典制度中信息处理引起的热力学耗散的朗道原理背后的热力学权衡。特别是,发现与经典发动机,我们表明,在一个周期的热力学成本的总和服从广义朗道原理,精确平衡从热浴中提取的能量。因此,量子引擎遵守第二定律。然而,量子引擎是通过完全不同的机制来实现的:经典的测量和擦除决定了热力学,而在量子实现中,分区插入的成本是关键。
2022-12-06 cond-mat.stat-mech nlin.CD quant-ph
Many boson quantum Szilard engine for fractional power law potential
本文基于Bose-Einstein统计和能量量子化,实现了非相互作用玻色子在分数幂律势及单粒子在Morse势中的量子Szilard引擎,分析了粒子数、势深度、温度与非谐性参数对功和效率的影响并进行了比较。
2023-09-12 cond-mat.stat-mech quant-ph
Steering heat engines: a truly quantum Maxwell demon
我们解决的问题,验证量子热机。一个Szilárd引擎是真正的量子,如果它的工作输出不能被描述的本地隐藏状态(LHS)模型,即。e.一个客观的局部统计集合。量子在这种情况下,揭示了一个转向型的不平等,限制了经典的可提取的工作。量子麦克斯韦恶魔可以通过利用工作介质和热环境之间的量子相关性来违反这个不等式。虽然对于经典的西拉德引擎来说,对介质的客观描述总是存在的,但在真正的量子情况下,任何这样的描述都可以通过操纵任务来排除。
2019-11-26 quant-ph
Spin Quantum Heat Engine Quantified by Quantum Steering
随着人们对量子信息科学的兴趣日益浓厚,通过探索微观量子系统将热机扩展到量子领域在过去十年中引起了人们的极大兴趣。虽然工作介质的量子系统中的量子相干性已被研究发挥了重要作用,但对量子热机内在的量子优势的完整理解仍然是难以捉摸的。我们的实验表明,工作介质和热浴之间的量子相关性是量子Szilard引擎的量子优势的关键,其中工作介质中的量子相干性自然被排除在外。通过量子操纵来量化非经典关联,我们揭示了当恶魔能够真正操纵工作介质时,热机是量子的。在工质上采取不同的取功方式得到的平均功可以用来验证真实的量子Szilard引擎。
2022-02-04 quant-ph
Eliminating Ensembles from Equilibrium Statistical Physics: Maxwell's Demon, Szilard's Engine, and Thermodynamics via Entanglement
一个处于平衡状态的系统不会进化--时间独立性是它的明显特征。然而,在牛顿物理学中,单个系统的微观状态(相空间中的一个点)根据其运动方程不断演化。系综在十九世纪被引入,以弥合牛顿动力学中相空间点的连续运动和热力学的静态之间的鸿沟:虽然单个经典系统的状态不可避免地演变,但这些状态的相空间分布-系综-可以是时间无关的。我表明纠缠(例如,与环境)可以在单个量子系统中产生与时间无关的平衡。这使得人们可以消除合奏-一个尴尬的策略引入调和热力学与牛顿力学-和使用一个单独的系统相互作用,因此纠缠与它的热浴来代表平衡,并阐明信息和测量在物理学中的作用。因此,在我们的量子宇宙中,人们可以在没有合奏的情况下实践统计物理学-因此,在某种意义上,没有统计学。消除系综使用的想法,导致最近的推导玻恩规则从纠缠的对称性,我开始审查的推导。然后,我回顾和讨论的困难有关的依赖合奏和说明合奏的需要与经典的西拉德的引擎。一个类似的量子引擎--一个与热浴环境相互作用的单一系统--足以建立热力学。麦克斯韦的恶魔的作用(这在这个量子的背景下类似于维格纳的朋友)也进行了讨论。
2018-06-09 cond-mat.stat-mech quant-ph
Finite-Time Optimization of Quantum Szilard heat engine
Graduate School of China Academy of Engineering Physics(中国工程物理研究院研究生学院);Department of Physics, Peking University(北京大学物理学院);Department of Physics, Beijing Normal University(北京师范大学物理学院);Beijing Computational Science Research Center(北京计算科学研究中心)
本文提出了一种有限时间量子齐拉德热机,利用具有自旋的量子粒子作为工作物质,通过引入麦克斯韦妖探测自旋状态,在有限时间内捕捉粒子的哪边信息,从而提高信息热机的效率。研究发现,量子热机的效率受理想测量度的限制,并且其功率在短时间范围内与测量时间的三次方成正比,在长时间范围内与测量时间的负一次方成正比。
2023-03-26 cond-mat.stat-mech quant-ph
Deep reinforcement learning for robust quantum optimization
基于人工神经网络的机器学习技术已经成功地应用于解决许多科学问题。机器学习中最有趣的领域之一,强化学习,对于物理学中的优化问题具有天然的适用性。在这项工作中,我们使用深度强化学习和Chopped Random Basis优化来解决基于在量子Szilard引擎中插入偏心屏障的优化问题。我们表明,使用设计的协议的时间依赖性的屏障强度,我们就能实现波函数的相等分裂(在屏障的任一侧找到粒子的概率为1/2),即使对于不对称的Szilard发动机,在测量粒子在哪一侧被发现时也不会丢失信息。绝热的Szilard发动机可以以与传统的Szilard发动机相同的效率操作,其中绝热地插入中央屏障。我们比较了这两种优化方法,并展示了强化学习在构建鲁棒和抗噪声协议方面的优势。
2019-04-09 physics.comp-ph quant-ph
Is Szilard Engine Really Broken?
Vardhaman College of Engineering(瓦尔达曼工程学院)
本研究针对近期对西拉德引擎运行的质疑,采用范德瓦尔斯表面能原理验证,发现该引擎在特定条件下可借助已确立的活塞正常运行,证实其可行性。
2026-08-06 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Two-level system hyperpolarization using a quantum Szilard engine
本研究针对超导量子电路受二能级系统环境影响相干性的问题,利用带主动反馈的量子西拉德引擎调控TLS环境的冷热,证实二者互为主要损耗机制,为提升量子比特寿命提供了思路。
2024-05-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Fractional Quantum Heat Engine
在这项工作中,我们介绍了分数量子热机的概念。以空间分数量子Szilard热机为例,说明了空间分数量子热机比传统量子热机具有更高的效率.
2021-03-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Information and Entropy in Quantum Theory
我们看看某些思想实验的基础上的“延迟选择”和“量子擦除器”的干涉实验,这是一个互补的信息收集从量子测量和干涉效应。有人认为,这些实验表明,量子理论的玻姆解释是站不住脚的。我们证明,这些实验严重依赖于量子光学器件可以作为测量设备的假设,并表明,在这些实验的背景下,它不能以这种方式被一致地理解。相比之下,我们然后展示了如何在玻姆解释的“主动信息”的概念提供了一个连贯的解释这些实验中所示的现象。然后,我们研究信息和熵之间的关系。连接这两个量的思想实验是西拉德引擎版本的麦克斯韦恶魔,有人认为量子测量在其中起着关键作用。我们提供了第一个完整的描述操作的Szilard引擎作为一个量子系统。这使我们能够证明所建议的量子测量的作用是不正确的,并且进一步地,使用信息论来解决西拉德悖论是不必要的和不充分的。最后,我们表明,如果“主动信息”的概念扩展到涵盖热密度矩阵,那么这个悖论所提出的许多概念问题似乎得到解决。
2004-11-23 quant-ph
The second law, Maxwell's daemon and work derivable from quantum heat engines
利用一类由双能量本征态系统组成的量子热机,在循环的不同阶段分别经历量子绝热过程和与热浴的能量交换,我们能够阐明热力学第二定律的一些重要方面。量子热机也提供了一种实用的方法,作为西拉德发动机的替代品,在物理上实现麦克斯韦的守护进程。在平均遵守第二定律的同时,它们也能够从热浴中提取比热平衡中可能的更多的功。
2005-08-22 quant-ph
Quantum Thermodynamic Cycles and Quantum Heat Engines (II)
我们研究了力或压力的量子力学推广,并将经典的热力学等压过程推广到量子力学系统。在此基础上,我们可以研究由量子等压过程构成的量子形式的热力学循环,如量子布雷顿循环和量子狄塞尔循环。我们还考虑了用一维盒子中的单粒子和腔中的单模辐射场等模型系统实现量子布雷顿循环和量子狄塞尔循环。这些研究为Szilard-Zurek单分子发动机奠定了微观(量子力学)基础。
2009-03-09 quant-ph
Information-thermodynamics link revisited
西拉德的一个思想实验所建立的所谓信息-热力学联系成为现代量子信息和量子热力学资源理论领域的正统理论的核心。我们提醒现有的反对标准的解释Szilard引擎的操作,并说明他们的两个量子模型:粒子在一个盒子中的时间依赖性薄势垒和自旋玻色子模型。超选择规则的出现的热力学和量子力学的基础的后果进行了讨论。非遍历系统作为信息载体和热力学成本的稳定性和准确性的信息处理的作用进行了简要讨论,并比较普遍接受的朗道原理。
2019-05-27 quant-ph
Leveraging Machine Learning to Gain Insights on Quantum Thermodynamic Entropy
Techno Labs(Techno实验室)
该研究以单粒子量子热机为对象,结合机器学习分析其热力学成本与机制,对比量子和经典极限,揭示兰道尔原理的热力学权衡,模拟验证其符合热力学第二定律。
2026-08-06 cond-mat.stat-mech cs.CL cs.LG
Detection of entanglement by harnessing extracted work in an opto-magno-mechanics
本研究通过西拉德发动机在腔磁力学系统中提取功,利用对数负性量化纠缠,发现提取功与纠缠程度高度一致,为量子信息处理提供新途径。
2024-05-29 quant-ph
Heat engine driven by purely quantum information
本文的核心问题是能否利用纯量子力学信息从热机中提取功。如果答案是肯定的,它的数学公式是什么?首先,通过使用一个二分记忆,我们表明,从热机提取的工作是有界的,不仅由自由能的变化和熵的变化的总和的单个存储器,但也由存储器内包含的量子互信息的变化。然后我们发现,该引擎可以由纯粹的量子信息驱动,表示为所谓的量子不和谐,形成量子互信息的一部分。为了证实这一点,作为一个物理的例子,我们提出了Szilard引擎包含一个双原子分子与半渗透壁。
2013-08-05 quant-ph
Rapid optimal work extraction from a quantum-dot information engine
本文利用量子点西拉德引擎设计并实现从慢驱动到快驱动的优化协议,在跨越两个数量级的速度范围内实现最大效率,并揭示提升功率输出会伴随功率涨落增大的代价。
2025-09-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Breaking information-thermodynamics link
信息热力学的联系是重新审视,回到分析西拉德的引擎。指出物理熵与信息论熵不是等价的,而是互补的,是正确的概念。著名的兰道尔公式的最小成本的信息处理被一个新的一个考虑到信息编码的准确性和稳定性。最近的两个实验说明的信息能量转换的批判性讨论。
2014-06-23 quant-ph
Information is not a thermodynamic resource
所谓信息-热力学联系,是从麦克斯韦妖开始的一系列工作中产生的,由西拉德思想实验中的信息转化为功的思想建立起来的,然后发展成为一个广阔的研究领域。本文的目的是首先提出两个新的模型的Szilard发动机包含任意数量的分子,显示无关的获取信息的工作提取。其次,强调了遍历系统的熵定义与遍历破缺约束系统的熵定义之间的区别。简要讨论了非遍历系统作为信息载体的作用以及信息编码和处理的稳定性和准确性的热力学代价。
2018-01-22 cond-mat.stat-mech quant-ph
Maxwell's two-demon engine under pure dephasing noise
热机和量子关联之间的相互作用在量子热力学和量子信息科学中都引起了极大的兴趣。最近,一个量子Szilárd引擎已经提出,表明麦克斯韦恶魔和工作介质之间的量子可操纵性可以有利于工作提取任务。然而,这种类型的量子燃料机器在退相干效应的存在下通常是脆弱的。我们提供了一个例子的纯移相过程中,表明发动机的量子化可以降低。因此,在这项工作中,我们通过引入第二个恶魔来解决这个问题,这个恶魔可以访问控制系统,并使工作介质以量子叠加的方式通过两个退相通道。此外,我们提供了一个量子线路来模拟我们提出的概念,并在IBMQ和IonQ量子计算机上进行测试。
2022-10-04 quant-ph
Quantum Heat Engines, the Second Law and Maxwell's Daemon
介绍了一类量子热机,它由最简单的量子力学系统--双能量本征态系统组成,在循环的不同阶段分别经历量子绝热过程和与热浴的能量交换.有了这类热机和在量子水平上对热传递和功的一些解释,我们就能够澄清热力学第二定律的一些重要方面。特别是,热源比散热器热是不够的,但在通过发动机提取任何功之前,在较热的热源和较冷的散热器之间必须有最小的温差。这个最小温差的大小取决于所涉及的量子引擎的能隙。我们的新量子热机也提供了一种实用的方法,作为Szilard发动机的替代品,在物理上实现麦克斯韦的守护进程。受拉比振荡的启发和激励,我们进一步引入了一些修改的量子热机与单模腔,以,同时尊重第二定律,提取更多的工作,从热浴比否则可能在热平衡。上述结果也可推广到无限多个能级的量子热机,包括一维简谐振子和一维无限方阱。
2005-08-22 quant-ph
Implementation of a Quantum Engine Fuelled by Information
在这里,我们展示了由信息驱动的量子引擎的完整循环的实现。该引擎是Szilard引擎的量子版本,其中信息用于从环境中提取热量并将其完全转换为功。在我们的实验中,这项工作是用来使一个重量,最初在基态,达到其激发态。在循环的每个步骤之后,我们测量发动机的每个部件的能量和状态,并将它们与理论预测进行比较,以表明循环以高精度实现。我们还进行了实验,以表明发动机在热量提取后与环境隔离良好,并且我们测量了重量的熵,以显示热量完全转化为功。因此,我们成功地证明了信息可以用作单水库发动机的燃料。
2020-06-17 cond-mat.stat-mech quant-ph
Model of quantum measurement and thermodynamical cost of accuracy and stability of information processing
本文重新讨论了量子测量问题,提出了一种新的可解测量模型,其基本成分是受控单比特存储器的量子模型。这个模型的结构,包括强耦合的自旋和量子谐振子允许定义稳定的指针状态,以及分离的高斯态的量子振子和分析从量子到经典制度的过渡。导出了测量精度、指针态稳定性、联合热噪声和量子噪声的有效温度以及执行位翻转所需的最小功之间的关系。它们不同于基于Landauer原理的那些,并且用于分析量子Szilard引擎的热力学效率,并且意味着执行长时间计算所需的最小工作量的更现实的估计。
2013-05-21 quant-ph
Thermodynamics of quantum informational systems - Hamiltonian description
人们经常声称,从一个d能级的量子系统,熵S和温度T的热浴中,可以得出kT(ln d -S)的功。然而,通常基于Szilard引擎的论证并不完全严格。在这里,我们证明的公式内的哈密顿描述的绘图工作从一个量子系统和热浴,在成本的熵的系统。本文在[R. Alicki,J. Phys. A,12,L103(1979)]。我们的结果提供了从量子关联中提取物理功的完全物理方案[J. Oppenheim et al. Phys. Rev. Lett. 89,180402(2002)]。我们还推导出Landauer原理作为第二定律的一个consequence内考虑模型。
2004-03-03 quant-ph
Experimental engineering of arbitrary qudit states with discrete-time quantum walks
在高维希尔伯特空间中产生和操纵量子态的能力是量子技术从量子通信发展到量子计算的关键一步。一维量子行走动力学是构造任意量子态的有效工具。在这里,我们肯定这样的潜力在一个线性光学平台,实现离散时间量子行走的轨道角动量自由度的光子。在一个六维空间中的相关量子态的不同类别的准备和测量,确认该协议的可行性。我们的研究结果代表了光子学平台中量子行走动力学的进一步研究,为使用这种量子态工程工具箱进行大范围的应用铺平了道路。
2018-08-27 quant-ph
Engineering arbitrary pure and mixed quantum states
这项工作解决了开放量子系统的可控性的一个基本问题,这意味着能够引导任意初始系统的密度矩阵到任何最终的密度矩阵。我们表明,在一定的一般条件下,开放量子系统是完全可控的,并提出了第一个,据我们所知,确定性的方法在实验室实现这样的可控性,允许一个实际的工程任意纯和混合量子态。该方法利用操纵系统与激光场和定制的非平衡和时间依赖性的周围环境的状态。作为环境的一个物理例子,我们考虑非相干光,其中控制是其光谱密度。该方法具有两个特别重要的性质:它实现了量子态控制的最强可能程度-完全密度矩阵可控性,即能够将任意的纯或混合初始状态引导到任何期望的纯或混合最终状态,并且是“全对一”的,即每个特定的控制可以同时将所有的初始系统状态转移到一个目标状态。
2012-10-08 quant-ph
Quantifying memory capacity as a quantum thermodynamic resource
众所周知,存储器的信息承载能力是一种促进热量转化为功的热力学资源。Szilard的引擎通过一个涉及能量简并两态存储器的玩具例子来解释这种联系。我们设计了一种形式来量化具有非平凡能量景观的一般量子系统中记忆的热力学值。称之为热信息容量,我们表明,它收敛到非平衡亥姆霍兹自由能的热力学极限。我们精确地计算了一个一般的两态(量子位)存储器的容量远离热力学极限,并发现它是不同于已知的自由能。我们概述了一个显式的记忆-浴耦合,可以近似的最佳量子比特的热信息容量任意好。
2019-02-22 cond-mat.stat-mech quant-ph
Stochastic thermodynamics of a quantum dot coupled to a finite-size reservoir
本文针对与有限尺寸热库耦合的单能级量子点,基于涨落定理建立随机热力学框架,确定热力学自洽的熵产生,并分析了有限尺寸热库西拉德发动机的功产生。
2024-04-01 cond-mat.stat-mech quant-ph
Quantum thermodynamics of continuous feedback control
本文为连续测量和反馈下的开放量子系统建立了热力学形式体系,推导了功、热及熵产生表达式,并通过连续西拉德发动机和砰砰控制功提取方案验证,揭示了反馈控制系统的能量学与不可逆性。
2025-05-22 cond-mat.stat-mech quant-ph
Arbitrary quantum state engineering in three-state systems via Counterdiabatic driving
提出了一种在三态系统中实现任意量子态工程的方案。首先,从一组完全正交的待定系数含时基出发,通过反绝热驱动导出含时哈密顿量,以引导系统在预定时刻达到任意目标态.然后,根据假设的目标状态的要求,提出了两个单模式驱动协议和一个多模式驱动协议作为例子来讨论QSE方案的有效性。比较了单模驱动和多模驱动的结果,结果表明多模驱动具有更广阔的应用前景,因为它可以在预定的时间内将系统从任意的初始状态驱动到任意的目标状态,甚至不需要使用微波场来实现两个基态之间的跃迁。此外,为了讨论该方案在实际中的可行性,本文还以一个最简单的多项式滤波器为例来固定脉冲。结果表明,为实现协议而设计的脉冲在实际中并不难实现。最后,作为该方案的一个推广例子,对高维系统的QSE问题也作了简要的讨论。
2016-11-11 quant-ph
Informational work storage in quantum thermodynamics
我们提出了一个严格的审查的困难与量子版本的解除重量,被广泛用作工作存储系统在量子热力学。为了克服这些困难,我们转向Szilard的引擎和Landauer的原则所阐明的信息和热力学之间的强联系,并考虑信息工作存储的概念。这个概念与通常的量子重量理想化的基础上的机械功存储的概念形成鲜明对比。研究了一种基于最大混合量子比特的信息工作存储系统,该系统不充当熵阱,并且能够真正区分功和热。将其应用于各种提取方案中的单次功提取问题,我们表明,对于给定的系统状态,最大可提取功与提取方案无关,符合热力学第二定律。
2019-06-04 cond-mat.stat-mech quant-ph
Quantum Maxwell's Demon in Thermodynamic Cycles
从量子力学的角度描述了Maxwell 'sDemon(MD)的位置测量、壁的插入和信息擦除,研究了MD在热力学循环中做功的物理机制。热机的例子是一个分子被限制在一个无限深的平方势插入一个可移动的固体壁,而MD被建模为一个两级系统(TLS)的测量和控制的分子的运动。发现具有量子相干性的分子动力学或在比粒子热浴温度低的温度下,将增强系统加上分子动力学所形成的整个工作物质对外做功的能力。这一观察结果表明,MD的作用本质上是驱动整个工作物质偏离平衡,或等效地以有效温差工作。对该模型的深入研究揭示了有限尺寸对Szilard热机热力学极限的影响,这与Szilard热机的一般理论相悖。详细计算了量子SHE的效率,证明了热力学第二定律的正确性。
2010-09-14 cond-mat.stat-mech quant-ph
Reservoir engineering with arbitrary temperatures for spin systems and quantum thermal machine with maximum efficiency
摘要储层工程是量子信息科学和量子热力学的重要工具,因为它允许制备和/或保护单组分或多组分系统的特殊量子态,或者研究热力学的基本问题,如量子热机及其效率。在这里,我们采用这种技术工程水库任意(有效)负和正温度为一个单一的自旋系统。为此,我们首先设计了量子比特系统(碳核自旋)与费米子库之间的适当相互作用,在我们的情况下,大量的氢核自旋充当自旋浴。这种碳氢结构存在于我们的实验装置中使用的多晶金刚烷中。通过使用核磁共振(NMR)施加特定序列的射频脉冲来实现所需的相互作用工程,而浴的温度可以通过适当制备初始氢核自旋状态来控制,预测结果与实验数据非常一致。作为一个应用,我们实现了一个单量子比特量子热机,它在一个有效的负温度下运行在一个单一的水库,其效率总是100%,独立于量子比特系统上执行的幺正变换,只要它改变量子比特状态。
2020-01-28 quant-ph
Optimal performance of generalized heat engines with finite-size baths of arbitrary multiple conserved quantities beyond i.i.d. scaling
在量子热力学中,有限性的影响很少被考虑。特别是,没有一般的理论,侧重于有限性浴的多个守恒量。然后,我们研究如何广义热机的最佳性能与多个守恒量的变化,在响应的浴的大小。在量子热力学的一般理论中,浴槽的大小是根据系统的相同副本的数量给出的,这甚至不包括体积这样的自然标度。考虑到渐近扩展性,我们处理一个通用的缩放浴自然包括体积缩放。在此基础上,我们得到了反映有限尺寸效应的广义热机性能的一个界,我们称之为细粒度广义卡诺界。我们还构建了一个协议,以实现由这个界限给出的引擎的最佳性能。最后,应用所得到的一般理论,我们处理简单的例子,广义热机。作为非i.i.d.的例子~标度和多守恒量,研究了一个由理想气体交换粒子组成的两个液池的热机,其中应用了体积标度。结果表明,颗粒的质量显着影响该发动机的性能与有限尺寸浴。
2017-11-24 quant-ph
Resources for universal quantum state manipulation and engineering
我们研究了在多模量子态上实现任意量子门所需的非高斯资源,以及高斯运算和测量。我们表明,一组任意的状态与有限的扩展Fock基础是足够的这项任务。作为一个例子,我们提出了一个明确的计划,概率实现的非线性符号门使用资源非高斯状态和高斯操作。
2009-08-11 quant-ph
Experimental verification of the work fluctuation-dissipation relation for information-to-work conversion
我们实验研究工作波动的Szilard引擎,提取工作的信息编码为电子在半导体量子点的水平占用。我们发现,作为平均工作提取每比特的信息增加对朗道极限$k_BT \ln 2$,工作波动减少按照工作波动耗散关系。我们将结果与没有测量和反馈的协议进行比较,结果表明,当没有使用信息时,工作输出和波动同时消失,而信息到能量转换的情况下,工作量增加,波动减少。我们的工作突出了波动在信息到工作转换过程的设计中的重要性。
2021-09-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Quantum-optical state engineering up to the two-photon level
我们提出并实验验证了一个方案,工程任意态的旅行光场的双光子水平。通过对空闲信道的条件测量,在自发参量下变频的信号信道中远程准备期望的状态。测量包括使闲频场与两个辅助相干态干涉,然后是两个单光子探测器,它们同时预示着准备事件。通过改变辅助粒子的振幅和相位,我们可以制备任意的零光子、单光子和双光子叠加态。
2009-08-28 quant-ph
Engineering of arbitrary U(N) transformations by quantum Householder reflections
我们提出了量子Householder反射(QHR)M(v)=I-2的一个简单的物理实现|v><v|在N个简并态(形成q单元)的量子系统中,通过N个共振或近似共振的脉冲外部场同时耦合到辅助(激发)态。我们还引入了广义QHR M(v;k)=I+(exp{ik}-1)|v><v|,当场从与激发态的共振适当地失谐时,可以在相同的N-pod系统中产生。我们使用这两个运营商作为积木在构建任意预选酉变换。我们证明了最一般的U(N)变换可以被N-1个标准QHR和一个N维相位门分解(从而产生),或者被N-1个广义QHR和一个一维相位门分解。从数学上看,这些QHR因子分解提供了U(N)群的参数化。作为一个例子,我们提出了一个配方,用于构建量子傅里叶变换(QFT)的最多N个相互作用步骤。例如,对于N=2,QFT需要单个QHR,并且对于N=3和4,仅需要两个QHR。
2007-08-21 quant-ph
Quantum state engineering using one-dimensional discrete-time quantum walks
在高维系统中制备量子态是许多量子技术应用的基本要求。然而,任意量子态的工程通常强烈依赖于为实现而选择的实验平台,并且仍然缺少通用框架。在这里,我们表明,创造量子行走线,这代表了一个框架一般足以涵盖各种不同的平台,可以用于量子态工程的任意叠加的沃克的网站。我们通过识别一组充分表征步行者和硬币空间中可达状态的条件,并提供一种有效计算相应硬币参数集的方法来实现这一目标。我们通过确定一个基于光子轨道角动量技术的线性光学实验来评估我们的建议的可行性。
2018-06-15 quant-ph
Finite temperature reservoir engineering and entanglement dynamics
我们提出了实验方法,工程水库在任意温度下,这是可行的,与目前的技术。我们的结果推广到混合态,通过控制退相干实现量子态工程的可能性。有限温度工程水库可以导致热纠缠的实验观察-纠缠随温度的出现和增加-到有限时间解纠缠和恢复与温度的依赖关系的研究,量子化学效应,以及许多其他应用,扩大了对温度相关的纠缠特性的理解。
2014-05-29 quant-ph
Generation of two-photon states with arbitrary degree of entanglement via nonlinear crystal superlattices
我们展示了一种通用的方法工程的联合量子态的光子对产生的自发参量下转换(PDC)。该方法利用非线性和线性材料的超晶格结构,结合宽带泵浦,操纵信号和闲频光子相对于泵浦脉冲的群延迟,并实现了所产生的对具有任意纠缠度的联合光谱振幅。这种群延迟工程方法具有合成广泛的状态的潜力,包括对量子网络至关重要的可因子化状态和对Hong-Ou-Mandel干涉术优化的状态。后一种情况下的实验结果,说明这种方法的原则。
2006-11-01 quant-ph