論文の概要: Exact noise and dissipation operators for quantum stochastic thermodynamics
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.11938v1
- Date: Wed, 16 Apr 2025 10:16:33 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-04-17 14:38:17.848862
- Title: Exact noise and dissipation operators for quantum stochastic thermodynamics
- Title（参考訳）: 量子確率熱力学における特殊ノイズと散逸作用素
- Authors: Stefano Giordano, Fabrizio Cleri, Ralf Blossey,
- Abstract要約: 熱雑音を伴う量子散逸の厳密な定式化は、現在も活発な研究のトピックである。
量子レベルでの熱雑音は多次元の幾何量子化過程として現れることを示す。
この結果は量子系における散逸の理解を前進させ、量子スケールにおける非平衡熱力学に関する新たな知見を提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.4123763595394021
- License:
- Abstract: The theory of open quantum systems plays a fundamental role in several scientific and technological disciplines, from quantum computing and information science to molecular electronics and quantum thermodynamics. Despite its widespread relevance, a rigorous formulation of quantum dissipation in conjunction with thermal noise remains a topic of active research. In this work, we establish a formal correspondence between classical stochastic thermodynamics, in particular the Fokker-Planck and Klein-Kramers equations, and the quantum master equation. Building on prior studies of multiplicative noise in classical stochastic differential equations, we demonstrate that thermal noise at the quantum level manifests as a multidimensional geometric stochastic process. By applying canonical quantization, we introduce a novel Hermitian dissipation operator that serves as a quantum analogue of classical viscous friction. This operator not only preserves the mathematical rigor of open quantum system dynamics but also allows for a well-defined expression of heat exchange between a system and its environment, enabling the formulation of an alternative quantum equipartition theorem. Our framework ensures a precise energy balance that aligns with the first law of thermodynamics and an entropy balance consistent with the second law. The theoretical formalism is applied to two prototypical quantum systems, the harmonic oscillator and a particle in an infinite potential well, for whom it provides new insights into nonequilibrium thermodynamics at the quantum scale. Our results advance the understanding of dissipation in quantum systems and establish a foundation for future studies on stochastic thermodynamics in the quantum domain.
- Abstract（参考訳）: オープン量子系の理論は、量子コンピューティングや情報科学から分子エレクトロニクスや量子熱力学まで、いくつかの科学・技術分野において基本的な役割を担っている。
その広範にわたる関連性にもかかわらず、熱雑音とともに量子散逸の厳密な定式化は、現在も活発な研究のトピックである。
本研究では、古典確率的熱力学、特にフォッカー・プランク方程式とクライン・クラマー方程式と量子マスター方程式の形式的対応性を確立する。
古典的確率微分方程式における乗法ノイズの先行研究に基づいて、量子レベルの熱ノイズが多次元幾何学的確率過程として現れることを示す。
正準量子化を適用することにより、古典的な粘性摩擦の量子類似体として機能する新しいエルミート散逸演算子を導入する。
この作用素は、オープン量子系の力学の数学的厳密性を保持するだけでなく、システムと環境の間の熱交換の明確に定義された表現を可能にし、代替量子等分定理の定式化を可能にする。
我々の枠組みは、熱力学の第1の法則と第2の法則と整合したエントロピーのバランスに整合した正確なエネルギーバランスを確保する。
理論的な定式化は、2つの原始型量子系、調和振動子と無限ポテンシャル井戸の粒子に適用され、量子スケールにおける非平衡熱力学に関する新たな洞察を提供する。
この結果は量子系における散逸の理解を前進させ、量子領域における確率的熱力学の研究の基礎を確立した。
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