論文の概要: Thermodynamically ideal quantum-state inputs to any device
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2305.00616v1
- Date: Mon, 1 May 2023 01:13:23 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-05-02 14:19:07.350042
- Title: Thermodynamically ideal quantum-state inputs to any device
- Title（参考訳）: 任意のデバイスへの熱力学的理想的量子状態入力
- Authors: Paul M. Riechers, Chaitanya Gupta, Artemy Kolchinsky, Mile Gu
- Abstract要約: エントロピー流, 熱, 作業の期待値は, 初期状態のエルミート観測によって決定できることを実証する。
有限個の有効任意の入力からの熱力学出力の測定からこれらのエルミート作用素を構築する方法を示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.4747234049753448
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: We investigate and ascertain the ideal inputs to any finite-time
thermodynamic process. We demonstrate that the expectation values of entropy
flow, heat, and work can all be determined via Hermitian observables of the
initial state. These Hermitian operators encapsulate the breadth of behavior
and the ideal inputs for common thermodynamic objectives. We show how to
construct these Hermitian operators from measurements of thermodynamic output
from a finite number of effectively arbitrary inputs. Behavior of a small
number of test inputs thus determines the full range of thermodynamic behavior
from all inputs. For any process, entropy flow, heat, and work can all be
extremized by pure input states -- eigenstates of the respective operators. In
contrast, the input states that minimize entropy production or maximize the
change in free energy are non-pure mixed states obtained from the operators as
the solution of a convex optimization problem. To attain these, we provide an
easily implementable gradient descent method on the manifold of density
matrices, where an analytic solution yields a valid direction of descent at
each iterative step. Ideal inputs within a limited domain, and their associated
thermodynamic operators, are obtained with less effort. This allows analysis of
ideal thermodynamic inputs within quantum subspaces of infinite-dimensional
quantum systems; it also allows analysis of ideal inputs in the classical
limit. Our examples illustrate the diversity of 'ideal' inputs: Distinct
initial states minimize entropy production, extremize the change in free
energy, and maximize work extraction.
- Abstract（参考訳）: 我々は、任意の有限時間熱力学過程に対する理想的な入力を調査し、確認する。
エントロピー流, 熱, 作業の期待値は, 初期状態のエルミート観測によって決定できることを実証する。
これらのエルミート作用素は、共通の熱力学的目的に対する振る舞いの幅と理想的な入力をカプセル化する。
有限個の有効任意の入力からの熱力学出力の測定からこれらのエルミート作用素を構築する方法を示す。
少数のテスト入力の振舞いは、全ての入力から熱力学的挙動の完全な範囲を決定する。
いずれのプロセスにおいても、エントロピーフロー、熱、作業はすべて、各演算子の固有状態である純粋な入力状態によって超過することができる。
対照的に、エントロピー生成を最小化し、自由エネルギーの変化を最大化する入力状態は、凸最適化問題の解として演算子から得られる非純混合状態である。
これらを実現するために,各反復ステップで解析解が妥当な降下方向を導く密度行列多様体上で容易に実装可能な勾配降下法を提案する。
限定領域内の理想的な入力とその関連する熱力学的作用素は少ない労力で得られる。
これにより、無限次元量子系の量子部分空間内の理想的な熱力学的入力の解析が可能になる。
固有初期状態はエントロピー生産を最小化し、自由エネルギーの変化を最大化し、仕事の抽出を最大化する。
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