論文の概要: Fundamental work costs of preparation and erasure in the presence of quantum side information
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2503.09012v1
- Date: Wed, 12 Mar 2025 03:02:03 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-03-13 15:38:15.854315
- Title: Fundamental work costs of preparation and erasure in the presence of quantum side information
- Title（参考訳）: 量子側情報の存在下での調製・消去の基本作業コスト
- Authors: Kaiyuan Ji, Gilad Gour, Mark M. Wilde,
- Abstract要約: 本稿では,量子側情報の存在下での量子熱力学の資源理論的枠組みを紹介する。
我々は、デーモンの心と結合する熱力学系を二部分量子状態によって記述すると同時に、準備する1ショットの作業コストを導出する。
我々は、ヘルムホルツ自由エネルギーの条件付きバージョンの観点から、量子側情報の存在下での熱力学のマクロ的な第二法則を示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 6.759148939470332
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- Abstract: The thought experiment of Maxwell's demon highlights the effect of side information in thermodynamics. In this paper, we present an axiomatic treatment of a quantum Maxwell's demon, by introducing a resource-theoretic framework of quantum thermodynamics in the presence of quantum side information. Under minimal operational assumptions that capture the demon's behaviour, we derive the one-shot work costs of preparing, as well as erasing, a thermodynamic system whose coupling with the demon's mind is described by a bipartite quantum state. With trivial Hamiltonians, these work costs are precisely captured by the smoothed conditional min- and max-entropies, respectively, thus providing operational interpretations for these one-shot information-theoretic quantities in microscopic thermodynamics. An immediate, information-theoretic implication of our results is an affirmative proof of the conjectured maximality of the conditional max-entropy among all axiomatically plausible conditional entropies, complementing the recently established minimality of the conditional min-entropy. We then generalize our main results to the setting with nontrivial Hamiltonians, wherein the work costs of preparation and erasure are captured by a generalized type of mutual information. Finally, we present a macroscopic second law of thermodynamics in the presence of quantum side information, in terms of a conditional version of the Helmholtz free energy. Our results extend the conceptual connection between thermodynamics and quantum information theory by refining the axiomatic common ground between the two theories and revealing fundamental insights of each theory in light of the other.
- Abstract（参考訳）: マックスウェルの悪魔の思考実験は、熱力学におけるサイド情報の影響を強調している。
本稿では,量子側情報の存在下での量子熱力学の資源理論的枠組みを導入することにより,量子マックスウェルの悪魔の公理的処理について述べる。
デーモンの行動を捉えた最小限の操作仮定の下では、デーモンの心と結合する熱力学系を二部量子状態によって記述する準備と消去の1ショットの作業コストが導かれる。
自明なハミルトニアンでは、これらの作業コストは、それぞれスムーズな条件のミン-エントロピーとマックス-エントロピーによって正確に捉えられ、顕微鏡熱力学におけるこれらのワンショット情報理論量の操作的解釈を提供する。
我々の結果の即時的、情報理論的含意は、全ての公理的に証明可能な条件エントロピーの中で条件の最大エントロピーの予想された最大性の証明であり、最近確立された条件のminエントロピーの最小性を補完するものである。
次に、本研究の主な成果を、非自明なハミルトン人による設定に一般化し、汎用的な相互情報によって準備と消去の作業コストを捕捉する。
最後に、ヘルムホルツ自由エネルギーの条件付きバージョンの観点から、量子側情報の存在下での熱力学のマクロ法則を示す。
この結果は、熱力学と量子情報理論の概念的関係を、2つの理論の間の公理的共通基盤を精製し、それぞれの理論の基本的な洞察を互いに照らし合わせることによって拡張する。
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