論文の概要: Impossibility of Refrigeration and Engine Operation in Minimal Qubit Repeated-Interaction Models

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.18300v1
• Date: Fri, 20 Feb 2026 15:53:52 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-02-23 18:01:41.366899
• Title: Impossibility of Refrigeration and Engine Operation in Minimal Qubit Repeated-Interaction Models
• Title（参考訳）: 極小量子繰り返し相互作用モデルにおける冷凍・エンジン運転の不可能性
• Authors: Gabrielle Barsky-Giles, Alessandro Prositto, Matthew Gerry, Dvira Segal,
• Abstract要約: 繰り返し相互作用フレームワークにおける量子熱デバイスとしての量子ビットの動作について検討する。 我々は、交互結合セットアップと同時結合セットアップの2つの最小モデルを分析する。 この結果は、マルコフの繰り返し相互作用の下で動作している量子ビットベースの量子熱機械の基本的な制限を定めている。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 39.146761527401424
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: We investigate the operation of a qubit as a quantum thermal device within the repeated interaction framework, allowing for strong system-bath coupling and finite interaction times. We analyze two minimal models: an alternating-coupling setup, in which the qubit sequentially interacts with hot and cold baths, and a simultaneous-coupling setup, where both baths interact with the qubit during each collision. For the alternating model, we obtain an exact analytical solution for the limit-cycle state, valid for arbitrary coupling strengths and collision durations. Using this solution, we rigorously prove a no-go theorem for quantum refrigeration. We further demonstrate that, although work can be generated locally at individual system-bath contacts, the total work over a cycle is always nonpositive, precluding engine operation. In the absence of work, the model describes pure heat conduction, for which we derive a closed-form expression for the heat current and show that it exhibits a nonmonotonic turnover behavior. The simultaneous-coupling model is analyzed perturbatively. In the short-collision-time limit, it reproduces the same steady-state behavior as the alternating model, reinforcing the generality of the constraints identified. Our results establish fundamental limitations on qubit-based quantum thermal machines operating under Markovian repeated interactions and highlight the need for enriched models to realize functional quantum thermal devices.
• Abstract（参考訳）: 本稿では, 量子熱デバイスとしての量子ビットの繰り返し相互作用フレームワークにおける動作について検討し, 強い系-バス結合と有限相互作用時間を実現する。 クビットが熱湯と冷湯と連続的に相互作用する交互結合装置と、各衝突時に両浴がクビットと相互作用する同時結合装置の2つの最小モデルを分析する。 交互モデルでは、任意の結合強度と衝突時間に有効である極限サイクル状態の正確な解析解を得る。 この解を用いて、量子冷凍のノーゴー定理を厳密に証明する。 さらに,個別のシステムバスコンタクトにおいて局所的に作業を生成することができるが,サイクル全体の作業は常に非陽性であり,エンジンの動作は例外であることを示す。 作業がない場合、モデルは純粋な熱伝導を記述し、熱電流の閉形式表現を導出し、非単調な回転挙動を示すことを示す。 同時結合モデルは摂動解析される。 短時間の衝突時間制限では、交互モデルと同じ定常挙動を再現し、特定された制約の一般性を補強する。 本研究は,マルコフの繰り返し相互作用の下で動作する量子熱機械の基本的限界を確立し,機能的量子熱デバイスを実現するための高密度モデルの必要性を強調した。

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