論文の概要: Quantum Coherence and Chaotic Dynamics: Guiding Molecular Machines Toward Low-Entropy States
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.11571v1
- Date: Fri, 16 May 2025 11:03:51 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-05-20 14:57:10.712875
- Title: Quantum Coherence and Chaotic Dynamics: Guiding Molecular Machines Toward Low-Entropy States
- Title（参考訳）: 量子コヒーレンスとカオスダイナミクス:低エントロピー状態への分子機械の誘導
- Authors: Andrei Tudor Patrascu,
- Abstract要約: 量子コヒーレンスが低エントロピー構成への遷移の確率を大幅に高めることを示す。
混合量子状態の浄化を考慮し、干渉経路間の量子位相を意図的に設計する手法を提案する。
この相工学は、コヒーレンス駆動による低エントロピー状態への遷移を明示的に促進し、新しい熱力学資源を提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Quantum coherence profoundly alters classical thermodynamic expectations by modifying the structure and accessibility of probability distributions. Classically, transitions to lower-entropy states (local second-law violations) are exponentially suppressed, as lower-entropy configurations have fewer available microstates and are statistically improbable. However, introducing quantum coherence and structured quantum interference among semiclassical trajectories significantly changes this scenario. Quantum coherence reduces local entropy by establishing correlations among states that are classically independent, effectively restructuring probability amplitudes to channel transitions toward otherwise improbable low-entropy states. We analyze this phenomenon explicitly within the framework of semiclassical approximations, employing the Van Vleck-Gutzwiller propagator to quantify how interference terms arising from coherent superpositions modify classical fluctuation theorems. We demonstrate that quantum coherence, especially when combined with chaos-assisted dynamical tunneling, greatly enhances the probability of transitions to low-entropy configurations, creating pronounced counter-ergodic effects. Furthermore, by considering purification of mixed quantum states, we propose methodologies for deliberately engineering quantum phases among interfering pathways. This phase engineering can explicitly enhance coherence-driven transitions into lower-entropy states, providing a novel thermodynamic resource. Finally, we explore the feasibility of molecular-scale quantum machines exploiting these principles, highlighting their potential applications in quantum thermodynamics and quantum biology for performing useful work through coherence-mediated entropy reduction.
- Abstract（参考訳）: 量子コヒーレンスは、確率分布の構造とアクセシビリティを変更することによって、古典的な熱力学的期待を深く変える。
古典的には、低エントロピー状態への遷移(局所的な第二法則違反)は指数関数的に抑制される。
しかし、半古典軌道における量子コヒーレンスと構造化量子干渉の導入は、このシナリオを大きく変えた。
量子コヒーレンス(英語版)は、古典的に独立な状態間の相関を確立することで局所エントロピーを減少させ、そうでない低エントロピー状態へのチャネル遷移への確率振幅を効果的に再構成する。
我々は、この現象を半古典的近似の枠組みの中で明示的に分析し、ファン・ヴレック=グッツウィル・プロパゲータを用いて、コヒーレント重ね合わせから生じる干渉項が古典的ゆらぎ定理をどう修正するかを定量化する。
量子コヒーレンス、特にカオス支援力学トンネルと組み合わせることで、低エントロピー構成への移行確率が大幅に向上し、反エルゴード効果が顕著になることを示した。
さらに,混合量子状態の浄化を考慮し,干渉経路間の量子位相を意図的に設計する手法を提案する。
この相工学は、コヒーレンス駆動による低エントロピー状態への遷移を明示的に促進し、新しい熱力学資源を提供する。
最後に、これらの原理を利用した分子スケール量子マシンの実現可能性について検討し、コヒーレンスを媒介とするエントロピー還元による有用な研究を行うための量子熱力学や量子生物学への応用の可能性を強調した。
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