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

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.20512v2
• Date: Tue, 14 Oct 2025 17:53:32 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-15 16:45:44.409348
• 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。 解析的あるいは数値的に効率的に抽出可能な形式に最適な作業抽出問題を還元するために、リー代数に基づく一般的なフレームワークを導入する。 その結果,最大出力を達成するための高速プロトコルの必要性が浮き彫りになった。
• 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 is yet to be established. 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 reveal the trade-off relation between power and work under a general setup, stating that these fundamental performance metrics cannot be maximized simultaneously. We then introduce a general framework based on Lie algebras, which involves a wide range of control problems such as many-body control of the Heisenberg model and the SU(n)-Hubbard model. This framework enables us to reduce the optimal work extraction problem to an analytically or numerically efficiently tractable form. The resulting optimal protocol turns out to be remarkably simple: it suffices to use a time-independent control Hamiltonian in the interaction picture, determined by a nonlinear self-consistent equation. By exploiting the Lie-algebraic structure of the controllable terms, our approach is applicable to quantum many-body systems with 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はまだ確立されていません。 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のパワーとワークのトレードオフ関係を明らかにする。 次に、リー代数に基づく一般的なフレームワークを導入し、ハイゼンベルクモデルの多体制御やSU(n)-Hubbardモデルのような幅広い制御問題を含む。 この枠組みは,最適作業抽出問題を解析的あるいは数値的に効率的に抽出可能な形式に還元することを可能にする。 結果の最適プロトコルは驚くほど単純であることが判明し、非線形自己整合方程式によって決定される相互作用図において時間非依存の制御ハミルトニアンを用いることで十分である。 制御可能な項のリー代数構造を利用して、効率的な数値計算を行う量子多体系に適用できる。 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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