論文の概要: Optimal energy storage and collective charging speedup in the central-spin quantum battery

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2411.01175v1
• Date: Sat, 02 Nov 2024 08:23:52 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-11-05 14:38:35.517331
• Title: Optimal energy storage and collective charging speedup in the central-spin quantum battery
• Title（参考訳）: 中心スピン量子電池の最適エネルギー貯蔵と集団充電速度向上
• Authors: Hui-Yu Yang, Kun Zhang, Xiao-Hui Wang, Hai-Long Shi,
• Abstract要約: 量子電池(QB)は、充電過程を加速し、最適なエネルギー貯蔵を実現するために量子力学の原理を利用する。 本研究では,N_b$ spin-1/2 電池セルが$N_c$ spin-1/2 充電器ユニットと相互作用する中心スピンQBモデルの解析を行った。 本研究は,QBにおける非平衡帯電ダイナミクスの解析的理解に,動的に出現するSU(2)対称性が果たす重要な役割を明らかにするものである。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 10.375556905286519
• License:
• Abstract: Quantum batteries (QBs) exploit principles of quantum mechanics to accelerate the charging process and aim to achieve optimal energy storage. However, analytical results for investigating these problems remain lacking due to the challenges associated with nonequilibrium dynamics. In this work, we analytically investigate a central-spin QB model in which $N_b$ spin-1/2 battery cells interact with $N_c$ spin-1/2 charger units, using $m$ initially excited charger units as a resource. By employing the invariant subspace method and the shifted Holstein-Primakoff (HP) transformation, we identify four scenarios in which optimal energy storage can be achieved: 1) $N_b\!\ll\!m\!\ll\!N_c$; 2) $m\!\ll\!N_b\!\ll\!N_c$; 3) $m\!\ll\!N_c\!\ll\!N_b$; and 4) $N_b\!\ll\!m\!=\!kN_c$ [$k\!\in\!(0,1)$]. In these cases, optimal storage is ensured by the SU(2) symmetry emerging from the charging dynamics. The first three cases map the central-spin QB to different Tavis-Cummings (TC) QBs, while the fourth corresponds to the non-TC limit. We analytically determine the charging time and demonstrate that in the fully charging cases (1) and (4), the collective charging exhibits an $N_b$-fold enhancement in speedup compared to the parallel charging scheme. Additionally, we numerically observe a unified charging behavior when $m\!=\!N_c$, showing that asymptotically optimal energy storage is possible when $N_b\!=\!m\!=\!N_c$. In this case, we find a collective charging enhancement scaling as $N_b^{0.8264}$. Our results highlight the crucial role of dynamically emergent SU(2) symmetry in providing an analytical understanding of non-equilibrium charging dynamics in QBs.
• Abstract（参考訳）: 量子電池(QB)は、充電過程を加速し、最適なエネルギー貯蔵を実現するために量子力学の原理を利用する。 しかしながら、これらの問題を研究するための分析結果は、非平衡力学に関わる問題のために、依然として欠落している。 本研究では,N_b$ スピン-1/2 電池セルが$N_c$ スピン-1/2 充電器ユニットと相互作用する中心スピンQBモデルの解析を行った。 不変部分空間法とシフトHolstein-Primakoff(HP)変換を用いて、最適なエネルギー貯蔵を実現する4つのシナリオを同定する。 1$N_b\! くそっ! m\! くそっ! N_c$; 2$m\! くそっ! N_b\! くそっ! N_c$; 3)$m\! くそっ! N_c\! くそっ! N_b$, and 4) $N_b\! くそっ! m\! =\! kN_c$ [$k\! イン! (0,1)$] これらの場合、最適貯蔵は充電力学から生じるSU(2)対称性によって確保される。 最初の3つのケースは中心スピンQBを異なるTavis-Cummings (TC) QBにマッピングし、第4のケースは非TC極限に対応する。 我々は、充電時間を解析的に決定し、全充電ケース(1)および(4)では、並列充電方式と比較して、加速が$N_b$-foldになることを示す。 さらに、$m\! のときの統一充電挙動を数値的に観察する。 =\! N_c$, $N_b\! =\! m\! =\! N_c$。 この場合、合計電荷増強スケーリングは$N_b^{0.8264}$である。 以上の結果から,QBの非平衡帯電ダイナミクスの解析的理解において,動的に出現するSU(2)対称性が果たす重要な役割が明らかとなった。

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