論文の概要: Quantum Speed Limit and Quantum Thermodynamic Uncertainty Relation under Feedback Control

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.09081v3
• Date: Mon, 29 Sep 2025 06:19:22 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-30 14:13:47.187486
• Title: Quantum Speed Limit and Quantum Thermodynamic Uncertainty Relation under Feedback Control
• Title（参考訳）: フィードバック制御下における量子速度限界と量子熱力学的不確かさ関係
• Authors: Hayato Yunoki, Yoshihiko Hasegawa,
• Abstract要約: 我々は、量子速度制限と量子熱力学の不確実性関係の理論的枠組みを確立する。 フィードバック制御が速度と精度に与える影響を取り入れた一般的な不等式を導出する。 我々の研究は、フィードバック制御が量子システムの速度と精度の基本的な限界にどのように影響するかを包括的に理解する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.3867363075280543
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Fundamental trade-off relations, such as quantum speed limit and quantum thermodynamic uncertainty relation, describe the performance limits of quantum systems by imposing that improvements in speed or precision necessitate a substantial thermodynamic cost. Quantum feedback control, which is a pivotal technique for manipulating quantum dynamics based on measurement outcomes, is widely employed to enhance system performance. Nevertheless, its impact on these fundamental bounds remains an open question. This work elucidates this influence by establishing a theoretical framework for quantum speed limit and quantum thermodynamic uncertainty relation under a paradigmatic Markovian feedback protocol. We derive general inequalities incorporating the effects of feedback control on speed and precision. Through numerical simulations on a simple two-level system and quantum error correction, a key application of quantum feedback control, we validate our derived bounds and demonstrate that feedback control can indeed improve both speed and precision beyond those achievable limits in uncontrolled systems. Next, to elucidate the mechanism behind these improvements and the qualitative difference from uncontrolled dynamics, we analyze the governing thermodynamic costs, which are the fundamental quantities that constrain speed and precision, within a simple model. Our analysis reveals that feedback can improve the time scaling order of these costs. This modification of the dynamical scaling is the origin of the qualitative performance gain, signifying that the feedback-induced improvements of performance are not merely quantitative but represent a fundamental shift. Consequently, our work offers a comprehensive understanding of how feedback control impacts the fundamental limits on the speed and precision of quantum systems, providing crucial insights for designing high-performance quantum technologies.
• Abstract（参考訳）: 量子速度制限や量子熱力学不確実性関係のような基本的なトレードオフ関係は、速度や精度の改善が相当な熱力学コストを必要とすることを示唆して量子系の性能限界を記述する。 測定結果に基づいて量子力学を操作するための重要な手法である量子フィードバック制御は,システム性能を高めるために広く用いられている。 それでも、これらの基本的な境界に対する影響は未解決の問題である。 この研究は、量子速度制限と量子熱力学的不確実性関係の理論的枠組みをパラダイム的マルコフフィードバックプロトコルの下で確立することで、この影響を解明する。 フィードバック制御が速度と精度に与える影響を取り入れた一般的な不等式を導出する。 簡単な2段階系の数値シミュレーションと量子誤差補正、量子フィードバック制御のキーとなる応用を通じて、導出した境界を検証し、フィードバック制御が制御不能なシステムにおいて達成可能な限界を超える速度と精度の両方を実際に改善できることを実証する。 次に、これらの改善の背景となるメカニズムと、制御されていない力学との質的な相違を解明するために、簡単なモデルで速度と精度を制約する基本的な量である熱力学的コストを解析する。 分析の結果、フィードバックはこれらのコストのスケーリング順序を改善することができることがわかった。 この動的スケーリングの修正は質的なパフォーマンス向上の原点であり、フィードバックによるパフォーマンスの改善は単に量的ではなく、根本的な変化を表していることを示している。 その結果、我々の研究は、フィードバック制御が量子システムの速度と精度の基本的な限界にどのように影響するかを包括的に理解し、高性能量子技術を設計するための重要な洞察を提供する。

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