論文の概要: Catalytic transformations with finite-size environments: applications to
cooling and thermometry
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2010.09070v3
- Date: Mon, 13 Sep 2021 18:25:08 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-04-28 18:03:45.860344
- Title: Catalytic transformations with finite-size environments: applications to
cooling and thermometry
- Title（参考訳）: 有限サイズの触媒変換 : 冷却と温度測定への応用
- Authors: Ivan Henao and Raam Uzdin
- Abstract要約: 系が有限環境とのみ相互作用する場合に達成できない触媒変換について検討する。
触媒の寸法が十分に大きい場合, 触媒冷却が常に可能であることを示す。
マルチビット構成の触媒冷却では、高次相互作用を用いた標準(非触媒)冷却の性能が向上する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: The laws of thermodynamics are usually formulated under the assumption of
infinitely large environments. While this idealization facilitates theoretical
treatments, real physical systems are always finite and their interaction range
is limited. These constraints have consequences for important tasks such as
cooling, not directly captured by the second law of thermodynamics. Here, we
study catalytic transformations that cannot be achieved when a system
exclusively interacts with a finite environment. Our core result consists of
constructive conditions for these transformations, which include the
corresponding global unitary operation and the explicit states of all the
systems involved. From this result we present various findings regarding the
use of catalysts for cooling. First, we show that catalytic cooling is always
possible if the dimension of the catalyst is sufficiently large. In particular,
the cooling of a qubit using a hot qubit can be maximized with a catalyst as
small as a three-level system. We also identify catalytic enhancements for
tasks whose implementation is possible without a catalyst. For example, we find
that in a multiqubit setup catalytic cooling based on a three-body interaction
outperforms standard (non-catalytic) cooling using higher order interactions.
Another advantage is illustrated in a thermometry scenario, where a qubit is
employed to probe the temperature of the environment. In this case, we show
that a catalyst allows to surpass the optimal temperature estimation attained
only with the probe.
- Abstract（参考訳）: 熱力学の法則は通常無限大環境の仮定の下で定式化される。
この理想化は理論的な処理を促進するが、実際の物理系は常に有限であり、相互作用範囲は限られている。
これらの制約は冷却などの重要なタスクに影響を与え、熱力学の第2法則によって直接捕獲されることはない。
本稿では,系が有限環境とのみ相互作用する場合に達成できない触媒変換について検討する。
私たちのコアとなる結果は、対応する大域ユニタリ操作と関連する全てのシステムの明示的な状態を含む、これらの変換のための構成的条件で構成されています。
この結果から, 触媒の冷却利用について様々な知見を得た。
まず,触媒の寸法が十分に大きい場合,触媒冷却が常に可能であることを示す。
特に、ホットキュービットを用いたキュービットの冷却は、触媒を3段階のシステムと同じくらい小さくすることで最大化することができる。
また,触媒を使わずに実装可能なタスクの触媒強化も確認する。
例えば、高次相互作用を用いた標準(非触媒)冷却よりも優れた3体相互作用に基づくマルチキュービットの触媒冷却を行う。
もう一つの利点は、クビットを用いて環境の温度を調査する温度測定のシナリオで示される。
この場合、触媒はプローブでのみ達成された最適な温度推定を超越することができる。
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