How much work can a quantum device extract from a heat engine?
分析了一个量子力学装置（量子“活塞”）在一个循环中从热机中提取功的问题。功的标准定义在量子领域是失败的。正确的可提取的工作和它的效率界被证明是至关重要的依赖于初始的量子态的活塞。瞬态效率界限可能超过标准卡诺界限，尽管它符合第二定律。能量增益（例如，在激光）示出从工作增益有很大的不同。
2013-10-10 quant-ph
Autonomous Rotor Heat Engine
热机的成功之处在于它们能够把热源的无序能量转化为有用的机械运动。近年来，许多人致力于将热力学概念推广到量子领域，部分原因是希望超越经典热机。在这里，我们采用自下而上的方法：我们提出了一个现实的自主热机，可以作为热力学背景下的量子效应的测试平台。我们的模型从实际的活塞发动机的灵感，并建立从封闭系统的哈密顿和弱浴耦合项。我们通过一组非线性朗之万方程解析推导出发动机在经典状态下的性能。在量子的情况下，我们进行数值模拟的主方程。最后，我们进行了动力学和热力学分析的发动机的行为在经典和量子的情况下，几个参数制度，并发现后者表现出一贯较低的效率，由于额外的噪音。
2017-06-16 quant-ph
Piston control in a two-ion quantum device
Nantong University（南通大学）；University College Cork（科克大学学院）；University of the Basque Country UPV/EHU（巴斯克地区大学）；IKERBASQUE, Basque Foundation for Science（伊克尔巴斯基奎，巴斯克科学基金会）
提出一种在双离子量子装置中通过库仑相互作用和势阱调制实现活塞控制的方案，自洽确定稳态并设计逆向工程协议以控制经典离子运动。
2026-06-02 quant-ph
Otto cycles with a quantum planar rotor
本文提出以量子平面转子为工作介质的Otto循环两种实现方案，对比发现旋转电偶极子量子转子存在性能劣势，而带电转子在磁场中具有真正的量子优势，可作为发动机和制冷机运行。
2024-07-29 quant-ph
Thermodynamic principles and implementations of quantum machines
循环热机的效率受到卡诺界限的限制。这个界限是根据热力学第二定律得出的，并且是通过在两个热浴之间在可逆性条件下运行的发动机来实现的，由此总熵不会增加。相比之下，由量子非热浴驱动的发动机的效率被认为超过了热力学卡诺界限。理解这种发动机性能的关键是根据系统熵和各向同性的相关变化，将浴槽提供给系统的能量适当地划分为热和功。由于它们的混合特性，由非热浴提供动力的量子引擎的效率界限并不仅仅遵循热力学热力学定律。因此，热力学卡诺界限是不适用于这种混合动力发动机。然而，它们并不违反热力学原理。提高机器性能的另一种方法是通过活塞模式的量子非线性（压缩）泵送的热-功转换催化的概念。这种增强是由于压缩活塞储存各向异性的能力增加。由于催化机器是由热浴作燃料的，它遵守卡诺束缚。我们得出结论认为，它不是量子本身，提高了机器的性能，而是浴，工作流体和活塞的属性，提高了各向异性，并尽量减少在输入和输出中浪费的热量。
2018-11-11 quant-ph
Optimal Shortcuts to Adiabaticity for a Quantum Piston
在本文中，我们使用最优控制来设计量子活塞膨胀的最小时间绝热类路径。在现实的实验条件下，我们计算的最小扩展时间，并将其与从最先进的逆向工程方法的状态。我们利用这个结果重新推导了制冷机冷却速率的已知上界，它为热力学第三定律绝对零度的不可达性提供了一个定量的描述。最后，我们指出了目前的工作的关系，快速绝热膨胀的手风琴光学晶格，系统，可用于放大初始量子态（量子显微镜）。
2013-01-22 math.OC quant-ph
Solar cell as self-oscillating heat engine
太阳能电池是将光子通量提供的能量转换为功的引擎。所有已知类型的宏观发动机和涡轮机也是自振荡系统，其以通常非周期性的能量源为代价产生周期性运动。在量子开放系统的形式主义中，功的定义暗示了这样一种假设，即振荡的“活塞”是功提取过程的必要成分。这方面的太阳能电池的操作是缺乏在现有的描述和本文的主要目标是表明，等离子体振荡提供了一个活塞的物理实现。
2015-11-27 cond-mat.stat-mech quant-ph
Non-equilibrium quantum heat machines
标准的热机（发动机、热泵、制冷机）由一个系统（“工作流体”）组成，该系统耦合到至少两个不同温度的平衡浴，并由外部设备（活塞或转子）周期性地驱动，有时称为工作储存器。本文的目的是超越这一计划，考虑环境是固定的，但不能分解成几个浴在热平衡。这种情况是重要的，例如在太阳能电池、生物学中的化学机器、激光冷却的各种实现或由激光辐射驱动的纳米机器中。我们分类非平衡浴根据其热力学行为，并表明，在其影响下运行的热机的效率是有限的广义卡诺约束。
2015-07-07 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
Quantum measurement engines and their relevance for quantum interpretations
本文介绍了量子测量引擎理论的最新进展，并讨论了它们对量子解释和理论哲学意义的影响。介绍并分析了几种新的测量引擎设计：我们讨论了一种基于反馈的原子和活塞引擎，该引擎将所有工作与成功事件以及所有量子热与失败事件紧密关联，以及一种无条件但相干的量子位引擎，可以实现完美的效率。任何不与哈密顿量对易的可观测量的量子测量必然会改变系统的能量。我们讨论了不同的方法来提取能量，效率和工作生产的过程。
2019-11-15 quant-ph
Concepts of work in autonomous quantum heat engines
量子热力学的基本问题之一是能量变化分解为热和功。与经典发动机相反，活塞的熵变在量子域中不可忽略。因此，不同的工作概念出现，这取决于所需的任务和使用引擎生成的工作的代理的隐含能力。每一个功的量词-从各态历经到非平衡自由能-都有明确的操作解释。我们分析这些工作量词的热泵三能级脉泽，并得出相应的发动机效率。在强脉泽强度的经典极限的发动机效率收敛于Scovil-Schulz-DuBois脉泽效率，无论工作量词。
2019-10-10 quant-ph
Bernoulli's formula and Poisson's equations for a confined quantum gas: Effects due to a moving piston
本文研究了当腔壁在时间原点处突然开始运动时，腔中的理想量子气体在活塞以有限小速度运动时的非平衡态方程。在绝热过程的限制下，阐明了量子非绝热（QNA）对Poisson绝热方程和连接压力和内能的Bernoulli公式的贡献。我们对我们在前一篇论文中发现的非绝热（时间反演对称）力算子进行了统计平均。Nakamura等人，Phys.Rev.EVol.83，041133，（2011））在低温量子力学和高温准经典机制中。QNA的贡献，这是成比例的活塞的速度的平方和空腔的纵向尺寸的倒数，具有依赖于温度，气体密度和空腔的维数的系数。研究了单向膨胀的三维矩形平行六面体腔及其一维腔。它在一个现实的纳米尺度热机的相关性进行了讨论。
2012-12-25 cond-mat.quant-gas math-ph math.MP
An atom-doped photon engine: Extracting mechanical work from a quantum system via radiation pressure
提出原子掺杂光学量子腔经辐射压驱动活塞的模型，证明其热功转换及与 Alicki 功定义等价，并构建比较量子 Otto 与 Carnot 发动机。
2024-03-04 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech quant-ph
Achieve Higher Efficiency at Maximum Power with Finite-time Quantum Otto Cycle
有限时间热力学热机的优化问题是近年来研究的热点，但其研究范围仅限于有限时间类卡诺循环。在本文中，我们补充了一种新的有限时间引擎与量子奥托循环，并显示出更好的性能。对于控制时间τ较长的有限时间绝热过程，由于额外功的广义\mathcal{C} /τ^{2}标度，该模型具有广泛的应用前景.这种缩放允许通用有限时间量子奥托循环的分析优化，以超过卡诺式发动机在最大功率下的效率。将电流微扰法应用于量子活塞模型，计算了最大功率下的效率，并与精确解进行了验证。
2019-09-12 quant-ph
A quantum heat engine with coupled superconducting resonators
我们提出一个量子热机，它由两个超导传输线谐振器通过类似光机械的耦合相互作用组成。一个谐振器由热泵周期性地激励。非相干驱动的谐振器由于耦合而在另一个谐振器中引起相干振荡。极限环，表明有限的功率输出，出现在物理相空间。该系统实现了光子活塞的全电模拟。在我们的情况下，功率输出不是机械运动，而是作为相干电荷获得的。我们通过求解量子主方程和经典朗之万方程来探讨我们系统的量子描述和经典描述之间的差异。具体来说，我们计算的平均数的激发，二阶相干，以及熵，温度，功率和平均能量，揭示量子行为的统计和热力学性质的系统的签名。我们发现在低温下发动机的功率输出的量子增强的证据。
2017-08-16 quant-ph
A photonic engine fueled by quantum-correlated atoms
研究由量子相关原子对构成的有效储层驱动的光子量子引擎，发现非最大纠缠超辐射态能实现高效率和高功输出，为设计更优量子热机提供新机遇。
2023-07-31 quant-ph
Thermodynamics of hybrid quantum rotor devices
本文研究由两个量子比特与量子转子组成的混合器件热力学，利用碰撞模型发现其可作为热机、制冷机、加速器或热整流器，并提出角动量整流概念以控制功提取。
2024-02-13 cond-mat.stat-mech quant-ph
Floquet topological phases in a spin-1/2 double kicked rotor
双被踢转子模型是对经典被踢转子模型在量子混沌研究中的物理可实现的扩展。甚至在Floquet拓扑相的概念变得广为人知之前，在双踢转子模型中Hofstadter蝴蝶谱的发现[J. Wang和J. Gong，Phys.Rev.A77，031405（2008）]已经表明了周期性驱动对非常规拓扑物质的产生的重要性。在这项工作中，我们探讨Floquet拓扑相位的双踢转子与额外的自旋1/2自由度。后者最近已经在量子踢动转子中通过将Rb 87凝聚体加载到周期性脉冲光晶格中进行了实验设计。在共振条件下，自旋为1/2的双受激转子由于内外自由度的相互作用而具有丰富的拓扑相。这些拓扑相的每一个都由一对缠绕数表征，它们的组合预测了系统中拓扑保护的0和π-准能边态的数量。任意大缠绕数的拓扑相位可以通过调整踢强度容易地找到。我们讨论了在反冲Rb 87凝聚体中实现该模型的实验方案，并建议通过测量动量空间中的平均手征位移来检测其拓扑不变量。
2018-03-07 cond-mat.quant-gas nlin.CD quant-ph
Quantum Hamiltonian daemons: unitary analogs of combustion engines
哈密顿守护进程最近被经典地定义为小的封闭哈密顿系统，其可以表现出从高频到低频自由度的长期能量转移（稳定下转换），类似于内燃机中从分子激发的高太赫兹频率到活塞运动的低千赫兹频率的能量稳定转移。经典的守护进程通过利用非线性共振在一个小的封闭系统内实现下变频;绝热定理允许它们的操作，但对它们的效率施加了非平凡的限制。在这里，我们研究一个量子力学守护进程的简单例子。在对应机制中，它服从与经典机制类似的效率极限，但在强量子力学机制中，守护进程以完全不同的方式运行。它以一种独特的量子力学形式保持着一种类似发动机的行为：通过一系列动量的量子跳跃，以稳定的平均速率举起重物，每一次跳跃都消耗一个量子的燃料。量子守护进程可以通过非绝热朗道-齐纳跃迁在任何时候停止下转换，并且量子守护进程的继续操作与快速和慢速自由度之间的稳定增长的纠缠相关联。
2017-06-14 quant-ph
Thermal noise engines
介绍了由电阻的约翰逊-奈奎斯特噪声驱动的电热机。他们利用库仑定律和统计物理学的波动耗散定理，这是电阻器中热耗散的逆现象。这里不存在蒸汽、气体、液体、光子、燃烧、相变或废气/污染。在这些发动机中，电阻器、电容器和开关代替了蓄热器、气缸、活塞和阀门，而是建筑元件。为了获得最佳性能，必须集成大量并行引擎以同步方式运行，并且基本引擎的特征尺寸必须在10纳米尺度。在室温下，在最理想的情况下，集成在2.5x2.5cm硅晶片上的25纳米特征尺寸的二维发动机整体，其中暖源和冷源之间的温差为12摄氏度，将产生约0.4瓦的比功率。常规和相干（相关圆柱状态）的版本，他们都可以工作在四冲程或两冲程模式。相干引擎具有对应于不存在量子相干性的相干量子热机的性质。在理想情况下，所有这些发动机都具有卡诺效率，这是任何热机的最高可能效率，而不违反热力学第二定律。
2011-01-10 physics.class-ph quant-ph
Observing collisions beyond the secular approximation limit
通过量子相干性的能量转移在各种自然现象和技术应用中起着至关重要的作用，例如人类视觉，光捕获复合物，量子热机以及量子信息和计算。了解这些现象中涉及的长寿的连贯性需要一个详细的建模系统浴相互作用超越了所谓的世俗和/或马尔可夫近似。尽管在过去的几十年里，对非长期动力学的理解在理论上不断取得进展，但仍然缺乏令人信服的实验观测。本文以激光作用下的分子转子为模型系统，从实验上揭示了热碰撞引起的分子转动弛豫的非久期动力学过程。具体而言，在气相分子的旋转相干性进行了系统的探讨和最近发现的旋转排列回波特征的消相干和耗散过程，只能解释的非长期量子主方程建模分子碰撞。
2019-12-07 physics.chem-ph physics.optics quant-ph
