Квантовая термодинамика - Quantum thermodynamics - Wikipedia

Квантовая термодинамика [1][2] это исследование отношений между двумя независимыми физическими теориями: термодинамика и квантовая механика. Две независимые теории касаются физических явлений света и материи. Альберт Эйнштейн утверждал, что требование соответствия между термодинамика и электромагнетизм[3] приводит к выводу о квантовании света с получением соотношения . Эта бумага - рассвет квант теория. Через несколько десятилетий квант теория закрепилась с независимым набором правил.[4] В настоящее время квантовая термодинамика обращается к появлению термодинамических законов из квантовой механики. Он отличается от квантовая статистическая механика в акценте на динамические процессы, выходящие из равновесия. Кроме того, существует стремление к тому, чтобы теория соответствовала отдельной квантовой системе.

Динамический вид

Существует тесная связь квантовой термодинамики с теорией открытые квантовые системы.[5]Квантовая механика включает динамику в термодинамику, обеспечивая прочную основу для термодинамики с конечным временем. Основное предположение состоит в том, что весь мир представляет собой большую замкнутую систему, и поэтому эволюция во времени управляется унитарным преобразованием, порожденным глобальным Гамильтониан. Для комбинированного сценария системной ванны глобальный гамильтониан можно разложить на:

куда гамильтониан системы, гамильтониан ванны и - взаимодействие системы и ванны. Состояние системы получается из частичного следа по объединенной системе и ванне:Приведенная динамика является эквивалентным описанием динамики системы с использованием только системных операторов. Марковская собственность для динамики основным уравнением движения открытой квантовой системы является Уравнение Линдблада (ГКЛС):[6][7]

это (Эрмитский ) Гамильтониан часть и :

- диссипативная часть, неявно описывающая через системные операторы влияние ванны на систему. Марковская собственность утверждает, что система и ванна не коррелируют постоянно .Уравнение Л-ГКС однонаправлено и приводит к любому начальному состоянию к стационарному решению, которое является инвариантом уравнения движения .[5]

В Картинка Гейзенберга обеспечивает прямую связь с квантовыми термодинамическими наблюдаемыми. Динамика наблюдаемой системы, представленной оператором, , имеет вид:

где возможность того, что оператор, явно зависит от времени, включен.

Возникновение производной по времени первого закона термодинамики

Когда в первый закон термодинамики появляется:

где мощность интерпретируется как и тепловой ток .[8][9][10]

К диссипатору должны быть наложены дополнительные условия. чтобы соответствовать термодинамике. Во-первых, инвариант должно стать равновесием Состояние Гиббса Это означает, что диссипатор должен коммутировать с унитарной частью, порожденной .[5] Кроме того, состояние равновесия является стационарным и стабильным. Это предположение используется для вывода критерия устойчивости Кубо-Мартина-Швингера для теплового равновесия, т.е. Состояние KMS.

Уникальный и последовательный подход достигается путем вывода генератора, , в слабой системе предел сцепления с ванной.[11]В этом пределе энергией взаимодействия можно пренебречь. Этот подход представляет собой термодинамическую идеализацию: он допускает передачу энергии, сохраняя при этом разделение тензорного произведения между системой и ванной, то есть квантовую версию изотермический раздел.

Марковский поведение включает в себя довольно сложное взаимодействие между системой и динамикой ванны. Это означает, что в феноменологических трактовках нельзя комбинировать гамильтонианы произвольной системы, , с заданным генератором L-GKS. Это наблюдение особенно важно в контексте квантовой термодинамики, где возникает соблазн изучить марковскую динамику с произвольным управляющим гамильтонианом. Ошибочные выводы основного квантового уравнения могут легко привести к нарушению законов термодинамики.

Внешнее возмущение, изменяющее гамильтониан системы, также изменит тепловой поток. В результате необходимо перенормировать генератор L-GKS. Для медленного изменения можно принять адиабатический подход и использовать мгновенный гамильтониан системы, чтобы получить . Важный класс задач квантовой термодинамики - это периодически управляемые системы. Периодический квантовые тепловые машины и механический холодильники попадают в этот класс.

Было предложено пересмотреть выражение зависящего от времени теплового тока с использованием методов квантового переноса.[12]

Предложен вывод последовательной динамики за пределом слабой связи.[13]

Возникновение второго закона

В второй закон термодинамики является заявлением о необратимости динамики или нарушении симметрии обращения времени (Т-симметрия ). Это должно соответствовать прямому эмпирическому определению: тепло самопроизвольно перетекает от горячего источника в холодный сток.

Со статической точки зрения, для замкнутой квантовой системы II-закон термодинамики является следствием унитарной эволюции.[14] В этом подходе учитывается изменение энтропии до и после изменения всей системы. Динамическая точка зрения основана на локальном учете энтропия изменения в подсистемах и энтропия, генерируемая в ваннах.

Энтропия

В термодинамике энтропия относится к конкретному процессу. В квантовой механике это означает возможность измерять систему и управлять ею на основе информации, собранной путем измерения. Примером может служить случай Демон Максвелла, который был решен Лео Сцилард.[15][16][17]

В энтропия наблюдаемого связано с полным проективным измерением наблюдаемого,, где оператор имеет спектральное разложение: куда - операторы проектирования собственного значения Вероятность исхода j равна Энтропия, связанная с наблюдаемым это Энтропия Шеннона в отношении возможных результатов:

Наиболее важной наблюдаемой в термодинамике является энергия, представленная оператором Гамильтона , и связанная с ней энтропия энергии, .[18]

Джон фон Нейман предложили выделить наиболее информативную наблюдаемую для характеристики энтропии системы. Этот инвариант получается минимизацией энтропии по всем возможным наблюдаемым. Самый информативный наблюдаемый оператор коммутирует с состоянием системы. Энтропия этой наблюдаемой называется Энтропия фон Неймана и равно:

Как следствие, для всех наблюдаемых. При тепловом равновесии энергия энтропия равно энтропия фон Неймана: .

инвариантен к унитарному преобразованию, изменяющему состояние. В Энтропия фон Неймана является аддитивным только для состояния системы, состоящего из тензорного произведения ее подсистем:

Версия Клаузиуса II-закона

Невозможно ни одного процесса, единственным результатом которого является передача тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой.

Это утверждение для термостатов с N-связью в установившемся режиме становится следующим:

Динамическая версия II-закона может быть доказана на основе Spohn Неравенство[19]

что справедливо для любого генератора L-GKS, находящегося в стационарном состоянии, .[5]

Согласованность с термодинамикой может быть использована для проверки квантовых динамических моделей транспорта. Например, было показано, что локальные модели для сетей, в которых локальные уравнения L-GKS связаны через слабые звенья, нарушают второй закон термодинамики.[20]

Квантовые и термодинамические адиабатические условия и квантовое трение

Термодинамический адиабатические процессы не имеют изменения энтропии. Обычно внешнее управление изменяет состояние. Квантовая версия адиабатический процесс может быть смоделирован гамильтонианом, зависящим от времени . Если система изолирована, динамика унитарна, и, следовательно, является константой. Квантовый адиабатический процесс определяется энтропией энергии постоянна. адиабатический Таким образом, условие эквивалентно отсутствию чистого изменения населенности мгновенных уровней энергии, что означает, что гамильтониан должен коммутировать сам с собой в разное время: .

Когда адиабатические условия не выполняются, требуется дополнительная работа для достижения окончательного контрольного значения. Для изолированной системы эту работу можно восстановить, поскольку динамика унитарна и может быть обращена вспять. В этом случае квантовое трение можно подавить, используя кратчайшие пути к адиабатичности как продемонстрировано в лаборатории с использованием унитарного ферми-газа в зависящей от времени ловушке[21]. согласованность Хранящиеся в недиагональных элементах оператора плотности, несут необходимую информацию для возмещения дополнительных затрат энергии и обращения динамики. Обычно эта энергия не подлежит восстановлению из-за взаимодействия с ванной, которое вызывает дефазировку энергии. В этом случае ванна действует как измеритель энергии. Эта потерянная энергия является квантовой версией трения.[22][23]

Появление динамической версии третьего начала термодинамики.

По-видимому, существуют две независимые формулировки третий закон термодинамики оба первоначально были заявлены Вальтер Нернст. Первая формулировка известна как Теорема Нернста о тепле, и можно сформулировать так:

  • Энтропия любого чистого вещества в термодинамическом равновесии приближается к нулю, когда температура приближается к нулю.

Вторая формулировка - динамическая, известная как принцип недостижимости[24]

  • Никакой процедурой, какой бы идеальной она ни была, невозможно свести любую сборку к абсолютный ноль температура за конечное число операций.

В устойчивом состоянии второй закон термодинамики означает, что общая производство энтропии неотрицательна. Когда холодная ванна приближается к температуре абсолютного нуля, необходимо исключить производство энтропии расхождение на холодной стороне, когда , следовательно

За выполнение второй закон зависит от производство энтропии других ванн, что должно компенсировать негативный производство энтропии холодной ванны. Первая формулировка третьего закона изменяет это ограничение. Вместо третий закон предписывает , гарантируя, что при абсолютном нуле производство энтропии в холодной ванне равно нулю: . Это требование приводит к условию масштабирования теплового тока .

Вторую формулировку, известную как принцип недостижимости, можно перефразировать так:[25]

  • Ни один холодильник не может охладить систему до абсолютный ноль температура в конечное время.

Динамика процесса охлаждения определяется уравнением

куда теплоемкость ванны. Принимая и с , мы можем количественно оценить эту формулировку, оценив характеристический показатель процесса охлаждения,

Это уравнение вводит связь между характеристическими показателями и . Когда затем ванна охлаждается до нулевой температуры за конечное время, что подразумевает оценку третьего закона. Из последнего уравнения видно, что принцип недостижимости более строг, чем принцип недостижимости. Теорема Нернста о тепле.

Типичность как источник возникновения термодинамических явлений

Основная идея квантовой типичности состоит в том, что подавляющее большинство всех чистых состояний с общим математическим ожиданием некоторой общей наблюдаемой в данный момент времени дадут очень похожие математические ожидания той же самой наблюдаемой в любое более позднее время. Это предназначено для применения к динамике типа Шредингера в многомерных гильбертовых пространствах. Как следствие, индивидуальная динамика ожидаемых значений обычно хорошо описывается средним по ансамблю.[26]

Квантовая эргодическая теорема принадлежит Джон фон Нейман является сильным результатом, вытекающим из простой математической структуры квантовой механики. QET - это точная формулировка так называемой нормальной типичности, то есть утверждение, что для типичных больших систем каждая начальная волновая функция из энергетической оболочки является «нормальным»: она развивается таким образом, что для большинства t макроскопически эквивалентен микроканонической матрице плотности.[27]

Теория ресурсов

В второй закон термодинамики можно интерпретировать как количественную оценку преобразований состояния, которые статистически маловероятны, так что они становятся фактически запрещенными. Второй закон обычно применяется к системам, состоящим из множества взаимодействующих частиц; Теория ресурсов квантовой термодинамики - это формулировка термодинамики в режиме, когда она может быть применена к небольшому количеству частиц, взаимодействующих с термостатом. Для процессов, которые являются циклическими или очень близкими к циклическим, второй закон для микроскопических систем принимает совершенно иную форму, чем в макроскопическом масштабе, налагая не только одно ограничение на то, какие преобразования состояний возможны, но и целое семейство ограничений. Эти вторые законы актуальны не только для небольших систем, но также применимы к отдельным макроскопическим системам, взаимодействующим посредством дальнодействующих взаимодействий, которые в среднем удовлетворяют только обычному второму закону. Уточняя определение тепловых операций, законы термодинамики принимают форму, в которой первый закон определяет класс тепловых операций, нулевой закон становится уникальным условием, обеспечивающим нетривиальность теории, а остальные законы являются свойством монотонности. обобщенных свободных энергий.[28][29]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ [1] Деффнер, Себастьян и Кэмпбелл, Стив. «Квантовая термодинамика: введение в термодинамику квантовой информации» Morgan & Claypool Publishers (2019), doi.org/10.1088/2053-2571/ab21c6
  2. ^ Биндер, Ф., Корреа, Л.А., Гоголин, К., Андерс, Дж. И Адессо, Г., 2019. Термодинамика в квантовом режиме. Фундаментальные теории физики (Springer, 2018).
  3. ^ Эйнштейн, А. (1905). "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt". Annalen der Physik (на немецком). 322 (6): 132–148. Bibcode:1905AnP ... 322..132E. Дои:10.1002 / andp.19053220607. ISSN  0003-3804.
  4. ^ Джон фон Нейман. Математические основы квантовой механики. № 2. Издательство Принстонского университета, 1955 год.
  5. ^ а б c d Кослофф, Ронни (29 мая 2013 г.). «Квантовая термодинамика: динамическая точка зрения». Энтропия. 15 (12): 2100–2128. arXiv:1305.2268. Bibcode:2013Энтрп..15.2100 тыс.. Дои:10.3390 / e15062100. ISSN  1099-4300.
  6. ^ Линдблад, Г. (1976). «О генераторах квантовых динамических полугрупп». Коммуникации по математической физике. 48 (2): 119–130. Bibcode:1976CMaPh..48..119L. Дои:10.1007 / bf01608499. ISSN  0010-3616. S2CID  55220796.
  7. ^ Горини, Витторио (1976). «Вполне положительные динамические полугруппы N-уровневых систем». Журнал математической физики. 17 (5): 821–825. Bibcode:1976JMP .... 17..821G. Дои:10.1063/1.522979. ISSN  0022-2488.
  8. ^ Spohn, H .; Лебовиц Дж. Необратимая термодинамика квантовых систем, слабо связанных с термальными резервуарами. Adv. Chem. Phys. 1979, 38, 109.
  9. ^ Алики, Р. (1979). «Квантовая открытая система как модель теплового двигателя». Журнал физики A: математические и общие. 12 (5): L103 – L107. Bibcode:1979JPhA ... 12L.103A. Дои:10.1088/0305-4470/12/5/007. ISSN  0305-4470.
  10. ^ Кослофф, Ронни (1984-02-15). «Квантовая механическая открытая система как модель теплового двигателя». Журнал химической физики. 80 (4): 1625–1631. Bibcode:1984ЖЧФ..80.1625К. Дои:10.1063/1.446862. ISSN  0021-9606.
  11. ^ Дэвис, Э. Б. (1974). «Марковские основные уравнения». Коммуникации по математической физике. 39 (2): 91–110. Bibcode:1974CMaPh..39 ... 91D. Дои:10.1007 / bf01608389. ISSN  0010-3616. S2CID  122552267.
  12. ^ Людовико, Мария Флоренсия; Лим, Чон Су; Москалец Михаил; Аррахея, Лилиана; Санчес, Дэвид (21 апреля 2014 г.). «Динамическая передача энергии в квантовых системах с переменным током». Физический обзор B. 89 (16): 161306 (R). arXiv:1311.4945. Bibcode:2014ПхРвБ..89п1306Л. Дои:10.1103 / Physrevb.89.161306. ISSN  1098-0121. S2CID  119265583.
  13. ^ Эспозито, Массимилиано; Ochoa, Maicol A .; Гальперин, Михаил (25.02.2015). «Квантовая термодинамика: подход неравновесной функции Грина». Письма с физическими проверками. 114 (8): 080602. arXiv:1411.1800. Bibcode:2015ПхРвЛ.114х0602Е. Дои:10.1103 / Physrevlett.114.080602. ISSN  0031-9007. PMID  25768745. S2CID  11498686.
  14. ^ Lieb, Elliott H .; Ингвасон, Якоб (1999). «Физико-математические науки второго начала термодинамики». Отчеты по физике. 310 (1): 1–96. arXiv:cond-mat / 9708200. Bibcode:1999ФР ... 310 .... 1л. Дои:10.1016 / s0370-1573 (98) 00082-9. ISSN  0370-1573. S2CID  119620408.
  15. ^ Сцилард, Л. (1929). «Uber die Entropieverminderung in einem thermodynamischen System bei Eingriffen Intelligent Wesen» [О минимизации энтропии в термодинамической системе с вмешательством разумных существ]. Zeitschrift für Physik (на немецком). 53 (11–12): 840–856. Bibcode:1929ZPhy ... 53..840S. Дои:10.1007 / bf01341281. ISSN  1434-6001. S2CID  122038206.
  16. ^ Бриллюэн, Л. Наука и теория информации; Academic Press: Нью-Йорк, Нью-Йорк, США, 1956. 107.
  17. ^ Маруяма, Кодзи; Нори, Франко; Ведрал, Влатко (06.01.2009). «Коллоквиум: физика демона Максвелла и информация». Обзоры современной физики. 81 (1): 1–23. arXiv:0707.3400. Bibcode:2009РвМП ... 81 .... 1М. Дои:10.1103 / revmodphys.81.1. ISSN  0034-6861. S2CID  18436180.
  18. ^ Полковников, Анатолий (2011). «Микроскопическая диагональная энтропия и ее связь с основными термодинамическими соотношениями». Анналы физики. 326 (2): 486–499. arXiv:0806.2862. Bibcode:2011AnPhy.326..486P. Дои:10.1016 / j.aop.2010.08.004. ISSN  0003-4916. S2CID  118412733.
  19. ^ Spohn, H .; Лебовиц Дж. Необратимая термодинамика квантовых систем, слабо связанных с тепловыми резервуарами. Adv. Chem. Phys. 1978, 109, 38.
  20. ^ Леви, Амикам; Кослофф, Ронни (01.07.2014). «Локальный подход к квантовому переносу может нарушить второй закон термодинамики». Письма еврофизики. 107 (2): 20004. arXiv:1402.3825. Bibcode:2014EL .... 10720004L. Дои:10.1209/0295-5075/107/20004. ISSN  0295-5075. S2CID  118498868.
  21. ^ Deng, S .; Chenu, A .; Diao, P .; Li, F .; Ю., С .; Coulamy, I .; дель Кампо, А; Ву, Х. (2018). «Подавление сверхадиабатического квантового трения в термодинамике с конечным временем». Достижения науки. 4 (4): eaar5909. arXiv:1711.00650. Bibcode:2018SciA .... 4.5909D. Дои:10.1126 / sciadv.aar5909. ЧВК  5922798. PMID  29719865.
  22. ^ Кослофф, Ронни; Фельдманн, Това (16.05.2002). «Дискретный четырехтактный квантовый тепловой двигатель, исследующий происхождение трения». Физический обзор E. 65 (5): 055102 (R). arXiv:физика / 0111098. Bibcode:2002PhRvE..65e5102K. Дои:10.1103 / Physreve.65.055102. ISSN  1063-651X. PMID  12059626. S2CID  9292108.
  23. ^ Plastina, F .; Alecce, A .; Apollaro, T. J. G .; Falcone, G .; Francica, G .; и другие. (2014-12-31). «Необратимая работа и внутреннее трение в квантовых термодинамических процессах». Письма с физическими проверками. 113 (26): 260601. arXiv:1407.3441. Bibcode:2014PhRvL.113z0601P. Дои:10.1103 / Physrevlett.113.260601. ISSN  0031-9007. PMID  25615295. S2CID  9353450.
  24. ^ Ландсберг, П. Т. (1956-10-01). «Основы термодинамики». Обзоры современной физики. 28 (4): 363–392. Bibcode:1956РвМП ... 28..363Л. Дои:10.1103 / revmodphys.28.363. ISSN  0034-6861.
  25. ^ Леви, Амикам; Алики, Роберт; Кослофф, Ронни (26.06.2012). «Квантовые холодильники и третий закон термодинамики». Физический обзор E. 85 (6): 061126. arXiv:1205.1347. Bibcode:2012PhRvE..85f1126L. Дои:10.1103 / Physreve.85.061126. ISSN  1539-3755. PMID  23005070. S2CID  24251763.
  26. ^ Барч, Кристиан; Геммер, Йохен (19 марта 2009 г.). «Динамическая типичность значений квантового ожидания». Письма с физическими проверками. 102 (11): 110403. arXiv:0902.0927. Bibcode:2009ПхРвЛ.102к0403Б. Дои:10.1103 / Physrevlett.102.110403. ISSN  0031-9007. PMID  19392176. S2CID  34603425.
  27. ^ Гольдштейн, Шелдон; Lebowitz, Joel L .; Мастродонато, Кристиан; Тумулка, Родерич; Занхи, Нино (20 мая 2010 г.). «Нормальная типичность и квантовая эргодическая теорема фон Неймана». Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 466 (2123): 3203–3224. arXiv:0907.0108. Bibcode:2010RSPSA.466.3203G. Дои:10.1098 / rspa.2009.0635. ISSN  1364-5021. S2CID  816619.
  28. ^ Брандао, Фернандо; Городецкий, Михал; Нг, Нелли; Оппенгейм, Джонатан; Венер, Стефани (09.02.2015). «Вторые законы квантовой термодинамики». Труды Национальной академии наук. 112 (11): 3275–3279. arXiv:1305.5278. Bibcode:2015ПНАС..112.3275Б. Дои:10.1073 / pnas.1411728112. ISSN  0027-8424. ЧВК  4372001. PMID  25675476.
  29. ^ Гулд, Джон; Хубер, Маркус; Риера, Арнау; Рио, Лидия дель; Скшипчик, Пол (23 февраля 2016 г.). «Роль квантовой информации в термодинамике - актуальный обзор». Журнал физики A: математический и теоретический. 49 (14): 143001. arXiv:1505.07835. Bibcode:2016JPhA ... 49n3001G. Дои:10.1088/1751-8113/49/14/143001. ISSN  1751-8113.

дальнейшее чтение

Деффнер, Себастьян и Кэмпбелл, Стив. «Квантовая термодинамика: введение в термодинамику квантовой информации», (Morgan & Claypool Publishers, 2019).[1]

Ф. Биндер, Л. А. Корреа, К. Гоголин, Дж. Андерс, Г. Адессо (ред.) "Термодинамика в квантовом режиме. Фундаментальные аспекты и новые направления". (Springer 2018)

Йохен Геммер, М. Мишель и Гюнтер Малер. «Квантовая термодинамика. Возникновение термодинамического поведения в сложных квантовых системах. 2.» (2009).

Петруччоне, Франческо и Хайнц-Петер Брейер. Теория открытых квантовых систем. Издательство Оксфордского университета, 2002.

внешняя ссылка