論文の概要: Universal thermodynamic implementation of a process with a variable work cost

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.20155v1
• Date: Wed, 28 Jan 2026 01:26:34 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-01-29 15:46:06.71374
• Title: Universal thermodynamic implementation of a process with a variable work cost
• Title（参考訳）: 可変作業コストをもつプロセスの普遍的熱力学的実装
• Authors: Philippe Faist,
• Abstract要約: 時間共変量子チャネルのコピーである$n$i.d.を熱力学的に実装する。 任意の時間的共変状態、すなわち入力状態に対して、出力システムの状態が所望のプロセスの状態を忠実に再現することを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.2417342411475111
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The minimum amount of thermodynamic work required in order to implement a quantum computation or a quantum state transformation can be quantified using frameworks based on the resource theory of thermodynamics, deeply rooted in the works of Landauer and Bennett. For instance, the work we need to invest in order to implement $n$ independent and identically distributed (i.i.d.) copies of a quantum channel is quantified by the thermodynamic capacity of the channel when we require the implementation's accuracy to be guaranteed in diamond norm over the $n$-system input. Recent work showed that work extraction can be implemented universally, meaning the same implementation works for a large class of input states, while achieving a variable work cost that is optimal for each individual i.i.d. input state. Here, we revisit some techniques leading to derivation of the thermodynamic capacity, and leverage them to construct a thermodynamic implementation of $n$ i.i.d. copies of any time-covariant quantum channel, up to some process decoherence that is necessary because the implementation reveals the amount of consumed work. The protocol uses so-called thermal operations and achieves the optimal per-input work cost for any i.i.d. input state; it relies on the conditional erasure protocol in our earlier work, adjusted to yield variable work. We discuss the effect of the work-cost decoherence. While it can significantly corrupt the correlations between the output state and any reference system, we show that for any time-covariant i.i.d. input state, the state on the output system faithfully reproduces that of the desired process to be implemented. As an immediate consequence of our results, we recover recent results for optimal work extraction from i.i.d. states up to the error scaling and implementation specifics, and propose an optimal preparation protocol for time-covariant i.i.d. states.
• Abstract（参考訳）: 量子計算や量子状態変換を実装するのに必要な最小限の熱力学的作業量は、ランダウアーとベネットの研究に深く根ざした熱力学の資源理論に基づくフレームワークを用いて定量化することができる。 例えば、$n$独立かつ同一に分散された量子チャネルのコピーを実装するために投資する必要がある作業は、$n$システム入力よりもダイヤモンドノルムで保証される実装の精度を必要とする場合、チャネルの熱力学容量によって定量化される。 最近の研究は、作業抽出を普遍的に実装できることを示し、すなわち、個々の入力状態に最適な可変作業コストを達成しながら、多数の入力状態に対して同じ実装が機能することを意味する。 ここでは、熱力学能力の導出につながるいくつかの技術を再検討し、それらを利用して、時間的共変量子チャネルのコピー$n$、すなわち、その実装が消費される仕事の量を明らかにするために必要となるプロセスのデコヒーレンスまで、熱力学的実装を構築する。 このプロトコルはいわゆる熱演算を使い、任意の入出力状態に対して最適な入出力当たりの作業コストを達成する。 作業コストのデコヒーレンスの影響について論じる。 出力状態と参照システムとの相関関係を著しく劣化させることができるが、任意の時間共変状態、すなわち入力状態に対して、出力システムの状態が所望のプロセスの状態を忠実に再現することを示す。 結果の即時的な結果として,エラースケーリングや実装仕様に至るまでの最適作業抽出のための最近の成果を回収し,時間共変状態に対する最適準備プロトコルを提案する。

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