論文の概要: Liouvillian spectral control for fast charging of quantum batteries

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.12867v1
• Date: Wed, 13 May 2026 01:23:34 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-14 23:30:27.747977
• Title: Liouvillian spectral control for fast charging of quantum batteries
• Title（参考訳）: 量子電池の高速充電のためのLiouvillianスペクトル制御
• Authors: Hang Zhou, Jia-Wei Huang, Chuan-Cun Shu,
• Abstract要約: 開放量子電池における定常帯電は、発散動力学を司るリウヴィリア作用素のスペクトルギャップに依存することを示す。 我々の発見は、オープンな量子熱力学に関する基本的な知見を提供し、効率的なエネルギー貯蔵と高速充電ソリューションへの道を提供する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 8.916222114306857
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum batteries, which use quantum systems to store and deliver energy, are promising for next-generation energy storage. However, optimizing charging strategies and understanding the interplay between dissipation and quantum coherence remain open challenges. Here, we investigate steady-state charging in an open quantum battery and demonstrate that the charging timescale depends on the spectral gap of the Liouvillian operator governing dissipative dynamics. As a minimal example, we examine a three-level quantum battery realized in a single trapped ${}^{40}\mathrm{Ca}^{+}$ ion, where energy from an engineered thermal photon reservoir is coherently transferred to a long-lived metastable storage state. We find that long-term dynamics are confined to a low-dimensional manifold of slow Liouvillian modes, with their spectral structure determining the relaxation rate to the charged steady state. By adjusting experimentally accessible parameters, such as reservoir occupation and coherent coupling strength, the non-Hermitian Liouvillian spectrum can approach an exceptional point. This increases the spectral gap and accelerates the approach to steady state. As a result, this mechanism significantly enhances asymptotic charging power without relying on many-body collectivity or steady coherence. Our findings offer fundamental insights into open quantum thermodynamics and provide a path to efficient energy storage and fast-charging solutions in emerging quantum technologies.
• Abstract（参考訳）: 量子システムを使ってエネルギーを貯蔵し供給する量子電池は、次世代エネルギー貯蔵を約束している。 しかし、電荷戦略を最適化し、散逸と量子コヒーレンスの間の相互作用を理解することは、未解決の課題である。 ここでは、オープンな量子電池における定常帯電について検討し、電荷の時間スケールが、発散動力学を司るリウヴィリア作用素のスペクトルギャップに依存することを示す。 最小限の例として、1つの閉じ込められた${}^{40}\mathrm{Ca}^{+}$イオンで実現された3レベル量子電池について検討する。 長期力学は遅いリウヴィリアモードの低次元多様体に限られており、そのスペクトル構造は荷電定常状態への緩和速度を決定する。 貯水池の占有やコヒーレント結合強度などの実験的に到達可能なパラメータを調整することで、非エルミート・リウヴィリアスペクトルは例外的な点に近づくことができる。 これによりスペクトルギャップが増加し、定常状態へのアプローチが加速される。 その結果、この機構は多体集電率や定常コヒーレンスに頼ることなく、漸近充電力を大幅に向上させる。 我々の発見は、オープン量子熱力学に関する基本的な知見を提供し、新興量子技術における効率的なエネルギー貯蔵と高速充電ソリューションへの道を提供する。

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