論文の概要: Thermodynamics of quantum processes: An operational framework for free energy and reversible athermality

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.12790v1
• Date: Tue, 14 Oct 2025 17:58:01 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-15 19:02:32.440654
• Title: Thermodynamics of quantum processes: An operational framework for free energy and reversible athermality
• Title（参考訳）: 量子過程の熱力学:自由エネルギーと可逆的熱力学のための操作的枠組み
• Authors: Himanshu Badhani, Dhanuja G S, Siddhartha Das,
• Abstract要約: 我々は、量子過程(量子チャネル)の熱力学を、チャネルに対する自由エネルギーを公理的に導入することによって探求する。 我々の研究は、自由エネルギー、エネルギー、エントロピー、最大抽出可能な量子プロセスのコア熱力学的概念を、その情報処理能力に結びつけている。
• 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: We explore the thermodynamics of quantum processes (quantum channels) by axiomatically introducing the free energy for channels, defined via the quantum relative entropy with an absolutely thermal channel whose fixed output is in equilibrium with a thermal reservoir. This definition finds strong support through its operational interpretations in designated quantum information and thermodynamic tasks. We construct a resource theory of athermality for quantum processes, where free operations are Gibbs preserving superchannels and golden units are unitary channels with respect to absolutely thermal channel having fully degenerate output Hamiltonian. We exactly characterize the one-shot distillation and formation of quantum channels using hypothesis-testing and max-relative entropy with respect to the absolutely thermal channel. These rates converge asymptotically to the channel free energy (up to a multiplicative factor of half the inverse temperature), establishing its operational meaning and proving the asymptotic reversibility of the athermality. We show the direct relation between the resource theory of athermality and quantum information tasks such as private randomness and purity distillation and thermodynamic tasks of erasure and work extraction. Our work connects the core thermodynamic concepts of free energy, energy, entropy, and maximal extractable work of quantum processes to their information processing capabilities.
• Abstract（参考訳）: 我々は、量子相対エントロピーによって定義されたチャネルに対する自由エネルギーを、固定出力が熱貯水池と平衡である絶対熱チャネルで公理的に導入することで、量子過程(量子チャネル)の熱力学を探求する。 この定義は、指定された量子情報や熱力学的タスクの操作的解釈を通じて強い支持を得る。 我々は、量子過程における熱力学の資源理論を構築し、自由操作はギブズ保存スーパーチャネルであり、ゴールデンユニットは、完全に退化するハミルトニアンの出力を持つ絶対熱チャネルに対してユニタリチャネルである。 絶対熱チャネルに対する仮説検証と最大相対エントロピーを用いて, 一発蒸留と量子チャネルの形成を正確に特徴付ける。 これらの速度は、チャネル自由エネルギー(逆温度の半分の乗算係数まで)に漸近的に収束し、その操作的意味を確立し、熱可塑性の漸近可逆性を証明する。 本研究では, 熱水性資源理論と, プライベートランダムネスや純度蒸留などの量子情報タスク, 消去・作業抽出の熱力学タスクとの直接的な関係を示す。 我々の研究は、自由エネルギー、エネルギー、エントロピー、最大抽出可能な量子プロセスのコア熱力学的概念を、その情報処理能力に結びつけている。

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