論文の概要: Thermodynamics of coherent energy exchanges between lasers and two-level systems

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2501.09625v1
• Date: Thu, 16 Jan 2025 16:15:03 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-01-17 15:09:54.081987
• Title: Thermodynamics of coherent energy exchanges between lasers and two-level systems
• Title（参考訳）: レーザーと2レベル系間のコヒーレントエネルギー交換の熱力学
• Authors: Ariane Soret, Massimiliano Esposito,
• Abstract要約: 本研究では,コヒーレントマクロ電磁場(レーザー)と2レベル系(量子ビット)の共鳴近傍の量子熱力学について検討した。 レーザーが自律的な作業源として機能し、マクロ的な限界において、生成した作業がレーザーの位相に依存しないことが示される。 レーザーを外部磁場として扱うことで、強い駆動状態における量子熱力学予測と矛盾する仕事の表現が得られることが知られている。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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• Abstract: We study the quantum thermodynamics of a coherent macroscopic electromagnetic field (laser) coupled to a two-level system (qubit) near resonance, from weak to strong driving regimes. This combined system is, in turn, weakly coupled to a thermal radiation field, and can be described by an autonomous quantum master equation. We show that the laser acts as an autonomous work source and that, in the macroscopic limit, the work produced is independent of the phase of the laser. Using the dressed qubit approach, we show that the variation of energy in the laser is not the work transferred to the dressed qubit, which is instead obtained from the ''dressed laser'' -- a coherent superposition of the laser and the qubit. Using a two-point measurement technique with counting fields, we obtain the full counting statistics for the work of the laser and dressed laser, and show that they satisfy Crooks fluctuation theorems. We then use these theorems as criteria to investigate the thermodynamic consistency of quantum master equations, first in the autonomous setup for the combined system, then in the non-autonomous setup where the coherent field is eliminated and effectively described by a time dependent external field. Treating the laser as an external field in known to yield expressions for the work which are in contradiction with quantum thermodynamics predictions in the strong drive regime. We show that these inconsistencies stem from a confusion between the laser and dressed laser, and show how to correct them. We also derive a new master equation, thermodynamically consistent at all driving regimes, from which the Bloch and Floquet master equations can be obtained using additional approximations (of which we also examine the consistency).
• Abstract（参考訳）: 我々は,コヒーレントマクロ電磁場(レーザー)と共鳴に近い2レベル系(量子ビット)とを結合した量子熱力学を,弱い駆動状態から強い駆動状態まで研究した。 この結合系は熱放射場と弱結合しており、自律的な量子マスター方程式によって記述することができる。 レーザーが自律的な作業源として機能し、マクロ的な限界において、生成した作業がレーザーの位相に依存しないことが示される。 着飾った量子ビットのアプローチを用いて、レーザー中のエネルギーの変動は、着飾った量子ビットに転送される作業ではなく、レーザーと量子ビットのコヒーレントな重ね合わせである 'dressed laser'' から得られるものであることを示す。 計数場を持つ2点計測技術を用いて、レーザと装身用レーザーの加工に関する全計数統計値を求め、クルックズ変動定理を満たすことを示す。 次に、これらの定理を基準として、まず結合系に対する自律的なセットアップにおいて量子マスター方程式の熱力学的整合性を調べ、次にコヒーレント場を排除し、時間依存の外部場によって効果的に記述する非自律的な設定で述べる。 レーザーを外部磁場として扱うことで、強い駆動状態における量子熱力学予測と矛盾する仕事の表現が得られることが知られている。 これらの矛盾は、レーザーと服装のレーザーの混同によるものであり、その修正方法を示す。 また、すべての駆動状態において熱力学的に一貫した新しいマスター方程式を導出し、Bloch と Floquet のマスター方程式は追加の近似を用いて得られる。

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