Thermodynamic and Quantum Thermodynamic Analyses of Brownian Movement
Elias P. Gyftopoulos
仅通过中性热力学平衡态的溶剂和胶体布朗运动的热力学和量子热力学分析。结果表明，布朗电动机和E.大肠杆菌不代表布朗运动。
Thermodynamic and quantum thermodynamic analyses of Brownian movement of a solvent and a colloid passing through neutral thermodynamic equilibrium states only. It is shown that Brownian motors and E. coli do not represent Brownian movement.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
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Thermodynamic and quantum thermodynamic answers to Einstein's concerns about Brownian movement
在爱因斯坦对物理学作出革命性贡献100周年之际，我很高兴回答他在1905年提出的一个问题。他说：在本文中，它将表明，根据分子动力学理论的热量，机构的微观可见的大小悬浮在液体中将执行运动的幅度，他们可以很容易地观察到在显微镜下，由于分子运动的热量。即布朗分子运动。在这篇文章中，我提供了无可争议的证据，反对分子动力学概念的热量，和正规化的布朗运动，不同于所有的统计程序和/或分析，存在于档案文献的日期。正则化是基于热力学的两个不同但密切相关的革命性概念，一个是纯粹的热力学，另一个是量子力学。
Information and entropy in quantum Brownian motion: Thermodynamic entropy versus von Neumann entropy
我们比较了由子系统配分函数导出的量子布朗振子的热力学熵与其约化密度矩阵的冯诺伊曼熵。在低温下，我们发现这两个熵之间的偏差，这是由于布朗粒子和它的环境纠缠的事实。我们给出了这些发现的解释，并指出，这些偏差变得重要的情况下，有关的子系统的信息容量的声明与热力学性质，因为它是朗道原理的情况下。
The strong-coupling quantum thermodynamics of quantum Brownian motion based on the exact solution of its reduced density matrix
本文通过解析求解布朗粒子约化密度矩阵，建立强耦合量子热力学，引入重整化、压缩配对相互作用和储库状态变化，解决内能定义争议与负热容问题。
Quantum Brownian motion and the Third Law of thermodynamics
研究了存在有限量子耗散时小系统的量子热力学行为。我们考虑阻尼谐振子和自由量子布朗粒子的原型情况。一个主要的发现是，量子耗散有助于确保第三定律的有效性。对于量子振荡器，有限阻尼取代了零耦合的结果，指数抑制的比热在低温下的幂律行为。自由量子布朗粒子的行为更令人感兴趣。在这种情况下，量子耗散能够恢复第三定律：比热不再在零温度下保持恒定，而是与温度成正比地消失，其幅度与欧姆耗散强度成反比。有限量子耗散的一个独特的微妙之处是，子系统的各种热力学函数不仅取决于耗散强度，而且还取决于定义中所采用的规定。
Quantum Brownian motion and the second law of thermodynamics
我们考虑一个耦合到零温水浴的谐振子。众所周知，振荡器于是具有比由其基态给出的能量更高的平均能量。在这里，我们分析表明，对于阻尼模型与任意离散分布的浴模式和阻尼模型与连续分布的浴模式与截止频率，这个多余的能量是小于所需的工作耦合系统的浴，因此，量子第二定律是不违反。另一方面，第二定律可能会违反浴模式没有截止频率，这是，然而，物理上不现实的模型。
The second law of thermodynamics in the quantum Brownian oscillator at an arbitrary temperature
在经典极限中，在相同温度下，将系统耦合到具有足够弱耦合强度（或对于线性系统具有任意有限耦合强度）的浴中不需要功。在量子域中，由于系统浴纠缠，这可能会发生变化。在这里，我们分析表明，需要耦合一个单一的线性振荡器与有限的强度，以浴不能小于工作时，它从浴振荡器获得的。因此，量子第二定律适用于任意温度。这是以前的结果为零温度[1，2]的推广;在高温极限，我们恢复的经典行为。
Thermodynamics and optimal protocols of multidimensional quadratic Brownian systems
我们刻画了多维二次过阻尼系统的有限时间热力学过程。解析表达式提供的热量，工作，和耗散的系统协方差矩阵的任何演变。协方差矩阵之间的Bures-Wasserstein度量自然地作为耗散的局部量词出现。如何应用这些几何工具，以确定最佳的协议的一般原则进行了讨论。专注于相关的慢驾驶限制，我们展示了如何这些结果可以用来分析的情况下，实验控制系统是部分的。
Jarzynski equality and the second law of thermodynamics beyond the weak-coupling limit: The quantum Brownian oscillator
本文考虑了一个耦合到任意强度的水浴中的含时量子线性振子。然后，我们引入了广义Jarzynski等式（GJE），其中包括反映系统浴耦合的条款。这使我们能够系统地研究非平衡过程中耦合效应对线性振子的影响。这也与超出弱耦合极限的热力学第二定律有关。接下来我们考虑经典极限中的GJE。通过这种推广，我们表明，Jarzynski等式在其原始形式可以与第二定律，在量子和经典域，只有在消失的小耦合制度。
Thermodynamic work associated to quantum Brownian motion in an external field
研究了浸没在欧姆量子热浴中的布朗粒子对外场的响应。场只影响中心粒子的动力学，而不影响热库。要分析的热力学函数是仅由外力引起的平均功。由于能量是协议的非局部函数，利用标准的变分原理对其进行了推导，发现能量达到最小值对最优协议有一定的限制.这是通过将变分原理应用于非局部功泛函而得到的，它也是一个极小值，并且仅取决于周围流体的摩擦系数。
Broken Detailed Balance and Entropy Production in CPTP Quantum Brownian Motion
研究量子布朗运动的非平衡热力学行为，发现CPTP扩展导致详细平衡破坏和非零熵产生，揭示开放量子系统中量子一致性和热平衡的矛盾。
A quantum dynamical framework for Brownian heat engines
我们提出了一个自包含的形式主义后，描述微观布朗热机，如卡诺，斯特林和奥托发动机的性能的量子谐振子的布朗运动建模。我们的理论，除了再现标准的热力学结果在稳定状态下，使我们能够研究的作用耗散在确定布朗热机的效率在实际的实验室条件下发挥。特别是，我们详细分析了与解耦系统的平衡与一个浴和重新耦合到另一个浴，并获得精确的分析结果，这被证明有显着的影响，涉及这样一个步骤的发动机的效率。我们还开发了一个简单而强大的技术计算修正所产生的有限的操作时间的稳态结果，并使用它来达到各种操作条件下的热力学互补关系，并计算效率的三个引擎在最大功率上述。这里提出的一些方法和技术以及精确可解的模型本身就很有趣，而且在我们看来，在其他情况下也会找到有用的应用。
Non-equilibrium dynamics in the quantum Brownian oscillator and the second law of thermodynamics
我们首先制备了一个在任意温度下弱耦合到处于平衡态的水浴的量子线性振荡器。我们通过改变耦合振子的哈密顿参数，即它的弹性常数或质量，按照任意的但预先确定的协议来干扰这个系统，从而对它进行外功，然后我们导出了耦合振子沿这个非平衡过程的约化密度算符的封闭表达式以及与相应的准静态过程有关的精确表达式.这立即使我们能够分析地讨论非平衡过程的热力学第二定律。然后我们导出了一个克劳修斯不等式，并得到了它支持第二定律的有效性，作为[1]中引入的对准静态对应物有效的克劳修斯不等式的一致推广。
Anomalous diffusion in quantum Brownian motion with colored noise
本文讨论了带色噪声的量子布朗运动中的反常扩散。它表明，早期的结果遵循简单，直接从波动耗散定理。反常扩散的长时间依赖性的限制示出的热力学第二定律的后果。详细讨论了电子与辐射场相互作用的特殊情况。我们将我们的结果应用到波包扩展。
Impact of non-Markovian quantum Brownian motion on quantum batteries
该研究提出基于量子布朗运动的量子电池模型，分析浴温、系统-环境耦合对电池充放电的影响，揭示非马尔可夫演化与充电过程的关联，为量子电池性能优化提供理论依据。
Quantum corrections to the entropy in a driven quantum Brownian motion model
量子布朗运动模型是研究非平衡态量子热力学的典型模型。熵是热力学中最基本的物理概念之一。本文通过求解量子朗之万方程，研究了粒子作量子布朗运动时的冯诺伊曼熵。在强耦合和弱耦合两种情况下，我们都得到了关于初始Wigner函数的Wigner函数时间演化的解析表达式。结果被应用到热力学平衡初始状态，再现其经典对应的高温极限。在此基础上，对于那些具有明确经典对应的初态，我们得到了系统熵的量子修正的显式表达式。在马尔可夫近似下，得到了总熵产生率${e_{\rm p}}$和热耗散率${h_{\rm d}}$的量子修正表达式.我们的结果为理解开放量子系统中的熵带来了重要的启示。
Unification of Stochastic and Quantum Thermodynamics in Scalar Field Theory via a Model with Brownian Thermostat
本文通过构建具有布朗热浴的模型，统一了随机热力学与量子热力学在标量场论中的应用，定义了热量、功和熵，并探讨了第二定律与相对熵的关系。
Statistical thermodynamics of quantum Brownian motion: Birth of perpetuum mobile of the second kind
在简谐约束势中耦合到简谐量子热浴中的量子粒子的布朗运动是精确可解的。结果表明，在足够低的温度下，由于与浴的纠缠，定态是非吉布斯的。在物理学上，当粒子周围的浴模式云开始发挥重要作用时，就会发生这种情况。事实上，整个系统的平衡热力学，颗粒加浴，并不意味着在低$T$的颗粒本身的标准平衡热力学。第二定律的各种公式在低$T$时被发现是无效的。首先，克劳修斯不等式可以被违反，因为热量可以从浴模式云的零点能量中提取。第二，当限制势的宽度突然改变时，会出现一个弛豫过程，在此过程中熵产生部分为负。第三，对于系统参数的非绝热变化，能量耗散的速率可以是负的，并且，在平衡之外，从浴中提取功的循环过程是可能的。提出了具有一个或多个做功循环的第二类永动机进入凝聚态物理领域的条件。第四，第二定律的不同表述（例如克劳修斯和汤姆森的表述）之间的等价性在低温下可以被破坏。这些效应是量子纠缠的结果，在存在的轻微偏离平衡性质的热浴，并成为重要的特征量子时间尺度$\hbar/k_BT$是大于或相当于其他时间尺度的系统。它们表明标准热力学和量子力学之间没有普遍的共识。
Statistical physics of flux-carrying Brownian particles
陈-西蒙斯规范场理论为深入理解二维凝聚态中的许多新现象提供了一个自然的框架。在阿贝尔拓扑规范作用量和线性布朗运动动力学同等条件下，研究了（二维）耗散谐振子的非平衡热力学性质.我们发现该粒子在量子域中表现出显著的类磁特征，这超出了著名的朗道抗磁性：这可以被视为电荷和类磁通量的复合激发的非相对论布朗对应物。有趣的是，在足够高的温度下，这种带通量的布朗粒子的性质与经典的统计力学符合得很好，并且在所研究的耗散情形下与热力学第三定律也基本一致.我们的研究结果还表明，它的基态可能远非平凡，即它伪造了一个看似简并的状态。
Nonlinear theory of quantum Brownian motion
基于量子增强的非线性薛定谔方程，建立了经典环境中量子布朗运动的非线性理论。后者通过Madelung变换转化为非线性量子Smoluchowski方程，该方程被证明重现了量子和经典物理的关键结果。将该理论应用于自由量子布朗粒子，得到了位置色散对时间的非线性依赖关系，是爱因斯坦布朗运动定律的量子推广。结果表明，从量子扩散到经典扩散的退相干时间正比于热德布罗意波长的平方除以爱因斯坦扩散常数。
Role of System-Bath Interaction in Non-Markovian Quantum Brownian Otto Cycles
通过解析求解海森堡-朗之万方程，研究非马尔可夫强耦合对量子奥托循环的影响，发现等容过程中相互作用能的变化对功和热有贡献，且会降低发动机的功输出。
Energy-Efficient Pseudo-Ratchet for Brownian Computers through One-Dimensional Quantum Brownian Motion
本文提出基于一维量子布朗运动的伪棘轮机制，利用量子共振效应实现无外部力驱动的单向传输，为布朗计算机提供低能耗计算方案。
Quantum-classical correspondence principle for heat distribution in quantum Brownian motion
Caldeira-Leggett模型描述的量子布朗运动，为理解量子热力学的现象和本质，特别是与经典热力学相关的量子功和量子热提供了新的视角。利用相空间方法研究了量子布朗运动模型中弛豫过程的热分布。得到了任意松弛时间和任意摩擦系数下的热特征函数的解析结果。通过取经典极限，该结果逼近朗之万方程描述的经典布朗运动的热分布，表明了热分布的量子-经典对应原理.我们还证明了在任意弛豫时间的涨落热满足热交换涨落定理，其长时间极限反映了系统的完全热化。我们的研究通过两点测量为量子涨落热的定义提供了依据。
Quantum Brownian motion and a theorem on fundamental 1/f noise
考虑由具有一个或多个自由度的相互作用的“动力学子系统”和具有任意多个自由度的“恒温器”组成的量子哈密顿系统，假设相互作用确保动力学子系统的不可逆行为，即在热力学平衡态中其坐标的有限扩散率和在非平衡态中的有限漂移速度和迁移率。存在外部驱动力时的平衡稳态。它示出，然而，无论相互作用的特性，扩散率和迁移率没有一定的值，而是从一个观察到另一个不同，并经历1/f型或闪烁型低频波动。
Quantum Analysis and Thermodynamic Operator Relations in Stochastic Energetics
利用量子分析中提出的算符微分，我们引入了一个量子布朗运动耦合到经典净浴的模型。然后，我们定义的热运营商通过适应的想法的随机能量。引入的算子满足类似于热力学第一和第二热力学定律的关系。
From Maximal Entropy Random Walk to quantum thermodynamics
令人惊讶的是，导致布朗运动的看似自然的随机游走往往以一种非常微妙的方式发生偏差：通常指的是仅仅近似地满足不确定性最大化等数学原理。最近，一种新的随机建模方法被引入，它在数学上类似于欧几里德路径积分，最终精确地实现了这些原则。它们的局部行为通常相似，但可能导致完全不同的全局性质。与布朗运动导致几乎均匀的稳态密度相反，这种最近的方法证明与具有强局域化性质的量子力学的物理预测一致，如热化到具有量子基态的概率密度的动态平衡态：离散情况下单粒子玻色-哈伯德哈密顿量最低能量本征向量坐标的平方，或标准薛定谔算子的一种特殊形式。它还提供了与概率相关的振幅平方的自然直觉。本文收集，形式化和推广这些结果。本文还介绍和讨论了一些新的推广，如考虑多粒子与泡利不相容原理的物理类似或与时间相关的情况，从而允许引入动量算符、Escherfest方程和Heisenberg不确定原理的物理类似。
Thermodynamically Consistent Lindbladians for Quantum Stochastic Thermodynamics
本文提出一个基于局部量子细致平衡的 Lindblad 框架，用于研究开放量子系统的非平衡热力学，推导功和热的联合涨落定理及最优协议，并修正量子布朗运动主方程以优化热力学过程。
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