論文の概要: Reduction of thermodynamic uncertainty by a virtual qubit

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.10429v1
• Date: Thu, 15 Jan 2026 14:24:01 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-01-16 19:43:19.165102
• Title: Reduction of thermodynamic uncertainty by a virtual qubit
• Title（参考訳）: 仮想量子ビットによる熱力学的不確実性の低減
• Authors: Yang Li, Fu-Lin Zhang,
• Abstract要約: 熱力学的不確実性関係(TUR)は、電流変動とエントロピー生成の制約を課す。 定常電流とエントロピー生成は, 実効的な古典マルコフ過程によって完全に再現可能であることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.087975072720057
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The thermodynamic uncertainty relation (TUR) imposes a fundamental constraint between current fluctuations and entropy production, providing a refined formulation of the second law for micro- and nanoscale systems. Quantum violations of the classical TUR reveal genuinely quantum thermodynamic effects, which are essential for improving performance and enabling optimization in quantum technologies. In this work, we analyze the TUR in a class of paradigmatic quantum thermal-machine models whose operation is enabled by coherent coupling between two energy levels forming a virtual qubit. Steady-state coherences are confined to this virtual-qubit subspace, while in the absence of coherent coupling the system satisfies detailed balance with the thermal reservoirs and supports no steady-state heat currents. We show that the steady-state currents and entropy production can be fully reproduced by an effective classical Markov process, whereas current fluctuations acquire an additional purely quantum correction originating from coherence. As a result, the thermodynamic uncertainty naturally decomposes into a classical (diagonal) contribution and a coherent contribution. The latter becomes negative under resonant conditions and reaches its minimum at the coupling strength that maximizes steady-state coherence. We further identify the optimization conditions and the criteria for surpassing the classical TUR bound in the vicinity of the reversible limit.
• Abstract（参考訳）: 熱力学的不確実性関係(TUR)は、電流ゆらぎとエントロピー生成の基本的な制約を課し、ミクロおよびナノスケール系の第2法則の洗練された定式化を提供する。 古典的TURの量子違反は、真に量子力学的効果を示し、量子技術の性能向上と最適化の実現に不可欠である。 本研究では,仮想量子ビットを形成する2つのエネルギーレベル間のコヒーレントカップリングによって動作が可能となる,パラダイム的量子熱機械モデルのクラスでTURを解析する。 定常状態のコヒーレンスは、この仮想量子ビット部分空間に限られるが、コヒーレント結合がない場合、系は熱貯水池との詳細なバランスを満足し、定常状態の熱電流をサポートしない。 定常電流とエントロピー生成は実効的な古典マルコフ過程によって完全に再現できることを示し、一方、電流変動はコヒーレンスから生じる純粋に量子的な補正を得る。 その結果、熱力学の不確実性は自然に古典的な(対角的な)寄与とコヒーレントな寄与に分解される。 後者は共鳴条件下で負となり、安定状態のコヒーレンスを最大化する結合強度で最小値に達する。 さらに、可逆極限近傍の古典的TUR境界を超える最適化条件と基準を同定する。

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