論文の概要: Work and entropy of mixing in isolated quantum systems
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.05054v1
- Date: Mon, 07 Jul 2025 14:38:40 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-07-08 15:46:35.456683
- Title: Work and entropy of mixing in isolated quantum systems
- Title（参考訳）: 孤立量子系における混合の研究とエントロピー
- Authors: Budhaditya Bhattacharjee, Rohit Kishan Ray, Dominik Šafránek,
- Abstract要約: 2つの異なる気体の混合は、CO$$の捕獲から水質浄化まで、最も一般的な自然現象の1つである。
伝統的に、混合は局所的な熱平衡の文脈で分析され、そこではシステムは熱浴とエネルギーを交換する。
そこで本研究では, マクロな可観測物によって特徴付けられる, 潜在的に非平衡な初期状態を持つ孤立系における混合について検討する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: The mixing of two different gases is one of the most common natural phenomena, with applications ranging from CO$_2$ capture to water purification. Traditionally, mixing is analyzed in the context of local thermal equilibrium, where systems exchange energy with a heat bath. Here, we study mixing in an isolated system with potentially non-equilibrium initial states, characterized solely by macroscopic observables. We identify the entropy of mixing as a special case of observational entropy within an observer-dependent framework, where both entropy and extractable work depend on the resolution of measurement. This approach naturally resolves the Gibbs mixing paradox in quantum systems: while an observer experiences a discontinuous increase in entropy upon learning of the existence of two particle types, this knowledge does not provide an advantage in work extraction if the types of particles remain operationally indistinguishable in their measurements. Finally, we derive a Landauer-like bound on the difference in energy extracted by two observers, where an "observational temperature" emerges, determined by the accessible information. These results provide a foundation for rigorously determining the energy required to unmix in non-equilibrium settings and extend beyond quantum systems, offering insights into the thermodynamics of isolated classical gases.
- Abstract（参考訳）: 2つの異なる気体の混合は、CO$2$の捕獲から水質浄化まで、最も一般的な自然現象の1つである。
伝統的に、混合は局所的な熱平衡の文脈で分析され、そこではシステムは熱浴とエネルギーを交換する。
そこで本研究では, マクロな可観測物質を主成分とする, 潜在的に非平衡な初期状態を持つ孤立系における混合について検討する。
我々は,観測者に依存したフレームワークにおいて,混合のエントロピーを観察的エントロピーの特別な場合とみなし,エントロピーと抽出可能作業の両方が測定の解像度に依存する。
この手法は、量子系におけるギブズ混合パラドックスを自然に解決する: 観測者は、2つの粒子が存在することを学ぶと不連続なエントロピーの増加を経験するが、この知識は、粒子の種類がそれらの測定において運用的に区別できないままである場合、作業抽出において有利ではない。
最後に、2人の観測者が抽出したエネルギーの差に基づいてランダウアーのような境界が導出され、そこでは「観測温度」が出現し、アクセス可能な情報によって決定される。
これらの結果は、非平衡な設定で解離し、量子系を超えて拡張するために必要なエネルギーを厳格に決定する基盤を提供し、孤立した古典気体の熱力学に関する洞察を提供する。
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