論文の概要: Formulations of Quantum Thermodynamics and Applications in Open Systems

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.00923v1
• Date: Sun, 30 Nov 2025 15:00:38 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-02 19:46:34.500841
• Title: Formulations of Quantum Thermodynamics and Applications in Open Systems
• Title（参考訳）: 量子熱力学の定式化とオープンシステムへの応用
• Authors: J. M. Z. Choquehuanca,
• Abstract要約: 我々は、エントロピーとエルゴトロピーに基づく2つの主要なアプローチを用いて、量子熱力学を記述する異なる方法を探究する。 この論文では、熱力学関数における単調性の分解を通じて非マルコフ性を定量化する一般化されたアプローチを導入する。 我々は,エルゴトロピーの凍結や急死などの現象を同定し,エルゴトロピーの変化と環境が引き起こす作業との関係を明らかにする。
• 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 thermodynamics has emerged as a central field for understanding how energy conversion processes occur in microscopic systems. In these systems, effects such as coherence, entanglement, and non-Markovianity play key roles. In this thesis, we explore different ways to describe quantum thermodynamics, using two main approaches: one based on entropy and the other on ergotropy. First, we introduce a generalized approach to quantify non-Markovianity through the breakdown of monotonicity in thermodynamic functions. In this context, the entropy-based heat flow serves as a practical tool to witness and measure quantum memory in unital maps that do not reverse the sign of the internal energy. Next, we analyze the dynamics of ergotropy in open qubits under both Markovian and non-Markovian evolutions. We identify phenomena such as freezing and sudden death of ergotropy, and we establish an analytical relation between the change in ergotropy and the environment-induced work . This provides a clear physical interpretation for the additional term in the first law in the entropy-based formulation. Finally, we propose an ergotropy-based thermodynamic formulation, in which heat is reinterpreted in terms of the change of the passive state associated with the density operator governing the quantum dynamics. This approach allows one to measure non-Markovianity of unital maps more generally and accurately than the entropy-based heat flow. This advantage comes from the direct link between heat and von Neumann entropy, a property ensured by invariance under passive transformations. Moreover, the out-of-equilibrium temperature naturally remains non-negative, similarly to equilibrium thermodynamics.
• Abstract（参考訳）: 量子熱力学は、微視的システムにおいてエネルギー変換過程がどのように起こるかを理解する中心分野として登場した。 これらのシステムでは、コヒーレンス、絡み合い、非マルコフ性といった効果が重要な役割を果たす。 この論文では、エントロピーとエルゴトロピーに基づく2つの主要なアプローチを用いて、量子熱力学を記述する様々な方法を探求する。 まず,熱力学関数の単調性分解による非マルコフ性定量化手法を提案する。 この文脈では、エントロピーに基づく熱流は、内部エネルギーの符号を逆転しないユニタリマップにおいて量子メモリを目撃し、測定するための実用的なツールとして機能する。 次に、マルコフ的および非マルコフ的進化の下で開キュービットにおけるエルゴトロピーのダイナミクスを解析する。 我々は,エルゴトロピーの凍結や急死などの現象を同定し,エルゴトロピーの変化と環境が引き起こす作業との関係を明らかにする。 これはエントロピーに基づく定式化における第一法則における追加項の明確な物理的解釈を与える。 最後に、エルゴトロピーに基づく熱力学の定式化を提案し、量子力学を管理する密度演算子に付随する受動状態の変化から熱を再解釈する。 このアプローチにより、エントロピーに基づく熱流よりも一般に正確にユニタリ写像の非マルコビアン性を測定することができる。 この利点は、熱とフォン・ノイマンのエントロピーの直接的な結びつきから来ており、これは受動的変換の下で不変性によって保証される性質である。 さらに、平衡外温度は、平衡熱力学と同様、自然に非負のままである。

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