論文の概要: Optimal Work Extraction from Finite-Time Closed Quantum Dynamics

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.20512v1
• Date: Thu, 28 Aug 2025 07:52:59 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-29 18:12:02.16532
• Title: Optimal Work Extraction from Finite-Time Closed Quantum Dynamics
• Title（参考訳）: 有限時間閉量子ダイナミクスによる最適作業抽出
• Authors: Shoki Sugimoto, Takahiro Sagawa, Ryusuke Hamazaki,
• Abstract要約: 閉量子系からの有限時間最適作業抽出の問題について検討する。 このフレームワーク内では、最適な作業抽出プロトコルが驚くほどシンプルになる。 Su(2)制御の解析解と、Su(n)制御のようなより複雑な場合の数値解を得る。
• 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: Extracting useful work from quantum systems is a fundamental problem in quantum thermodynamics. In scenarios where rapid protocols are desired -- whether due to practical constraints or deliberate design choices -- a fundamental trade-off between power and efficiency emerges as a key concern. Here, we investigate the problem of finite-time optimal work extraction from closed quantum systems, subject to a constraint on the magnitude of the control Hamiltonian. We first establish the trade-off relation between power and work under a general setup, stating that these fundamental performance metrics cannot be maximized simultaneously. Next, we introduce a framework of Lie-algebraic control, which involves a wide range of control problems including many-body control of the Heisenberg model and the SU(n)-Hubbard model. Within this framework, the optimal work extraction protocol becomes remarkably simple: it suffices to use a time-independent Hamiltonian, which is determined by a nonlinear self-consistent equation. We obtain an analytical solution for su(2) control, and a numerical solution for more complex cases like su(n) control using the steepest gradient descent method. Moreover, by exploiting the Lie-algebraic structure of the controllable terms, our approach is applicable to quantum many-body systems, enabling an efficient numerical computation. Our results highlight the necessity of rapid protocols to achieve the maximum power and establish a theoretical framework for designing optimal work extraction protocols under realistic time constraints.
• Abstract（参考訳）: 量子系から有用な研究を抽出することは、量子熱力学の基本的な問題である。 急激なプロトコルが望まれるシナリオ -- 実践的な制約や意図的な設計上の選択であれ -- では、電力と効率の基本的なトレードオフが重要な関心事として現れます。 ここでは、ハミルトニアン制御の規模に制約を課し、閉量子系から有限時間最適作業抽出の問題について検討する。 まず、これらの基本的なパフォーマンス指標を同時に最大化できないことを述べ、一般的な設定の下で、パワーとワークのトレードオフ関係を確立する。 次に,Heisenberg モデルの多体制御や SU(n)-Hubbard モデルなど,幅広い制御問題を含む Lie-algebraic Control の枠組みを紹介する。 このフレームワーク内では、最適作業抽出プロトコルは驚くほど単純になり、非線形自己整合方程式によって決定される時間に依存しないハミルトン式を使うのに十分である。 我々は,Su(2)制御の解析解と,最も急勾配降下法を用いて,Su(n)制御のような複雑なケースに対する数値解を得る。 さらに、制御可能な項のリー代数構造を利用することで、量子多体系に適用でき、効率的な数値計算が可能となる。 本研究は, 実時間制約下で最適作業抽出プロトコルを設計するための理論的枠組みを構築し, 最大出力を達成するための高速プロトコルの必要性を強調した。

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