論文の概要: The strong-coupling quantum thermodynamics of quantum Brownian motion based on the exact solution of its reduced density matrix
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2405.00277v2
- Date: Sat, 6 Jul 2024 01:25:29 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-07-10 01:49:35.779237
- Title: The strong-coupling quantum thermodynamics of quantum Brownian motion based on the exact solution of its reduced density matrix
- Title（参考訳）: 還元密度行列の正確な解に基づく量子ブラウン運動の強結合量子熱力学
- Authors: Chuan-Zhe Yao, Wei-Min Zhang,
- Abstract要約: 我々は、その還元密度行列の正確な解から、量子ブラウン運動の量子熱力学を導出する。
還元ハミルトニアンと還元されたブラウン運動の分割函数は、著しく再正規化されなければならない。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.1970409518725493
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: We derive the quantum thermodynamics of quantum Brownian motion from the exact solution of its reduced density matrix. We start from the total equilibrium thermal state between the Brownian particle and its reservoir, and solve analytically and exactly the reduced density matrix of the system by taking the partial trace over all the reservoir states. We find that the reduced Hamiltonian and the reduced partition function of the Brownian motion must be renormalized significantly, as shown in the general nonperturbative renormalization theory of quantum thermodynamics for open quantum systems we developed recently [Phys. Rev. Res. 4, 023141 (2022)]. The reduced Hamiltonian contains not only a frequency shift but also a squeezing pairing interaction, where a momentum-dependent potential is generated naturally from the strong coupling between the Brownian particle and the reservoir, after traced over all the reservoir states. The resulting exact reduced density matrix of the Brownian motion is given by a squeezing thermal state. Moreover, beyond the weak coupling limit, in order to obtain correctly the reduced partition function of the Brownian motion, one must take into account the non-negligible changes of the reservoir state induced by the system-reservoir coupling. Using the exact solutions of the reduced density matrix, the reduced Hamiltonian as well as the reduced partition function of the Brownian motion, we show that the controversial results obtained from the different definitions of internal energy and the issue of the negative heat capacity in the previous studies of strong-coupling quantum thermodynamics are resolved.
- Abstract（参考訳）: 我々は、その還元密度行列の正確な解から、量子ブラウン運動の量子熱力学を導出する。
まず、ブラウン粒子と貯水池の間の全平衡熱状態から始め、すべての貯水池状態に部分的痕跡を取ることにより、系の密度行列を解析的かつ正確に解いた。
私たちが最近開発した開量子系に対する量子熱力学の一般的な非摂動的再正規化理論(Phys. Res. 4, 023141 (2022))に示されているように、ハミルトン運動の減少とブラウン運動の分断関数は著しく再正規化されなければならない。
還元ハミルトニアンは周波数シフトだけでなく、全ての貯水池状態に辿り着いた後にブラウン粒子と貯水池の強い結合から運動量依存電位が自然に生成されるようなペアリング相互作用も含む。
その結果、ブラウン運動の正確な還元密度行列は、スクイーズ熱状態によって与えられる。
さらに、弱結合限界を超えて、ブラウン運動の減少分断関数を正しく得るためには、系-貯水池結合によって誘導される貯水池状態の非無視的な変化を考慮する必要がある。
還元密度行列の正確な解法、還元ハミルトニアンおよび還元ハミルトニアン運動の分解関数を用いて、強結合量子熱力学の以前の研究における内部エネルギーの異なる定義と負の熱容量の問題から得られた議論の結果が解決されたことを示す。
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