論文の概要: Quantum stochastic thermodynamics of macroscopic systems: an algebraic approach

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2607.09242v1
• Date: Fri, 10 Jul 2026 09:38:41 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-07-13 14:47:12.81722
• Title: Quantum stochastic thermodynamics of macroscopic systems: an algebraic approach
• Title（参考訳）: 高分子系の量子確率熱力学:代数的アプローチ
• Authors: Antoine Rignon-Bret, Cyril Elouard,
• Abstract要約: 我々は、マクロ量子系の熱力学の枠組みを構築した。 我々のフレームワークは、観測可能量の測定統計に基づいて、粗い粒度の記述に依存している。 我々は、第1法則と第2法則を満たす仕事と熱の量子マクロ的な概念を同定する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: We build a framework for the thermodynamics of macroscopic quantum systems. In contrast with approaches requiring access to the full density matrix, our framework relies on a coarse-grained description, based on measurement statistics of a few observables. When these observables commute, the outcomes define classical macrostates whose entropy is quantified by observational entropy, accounting for uncertainty about both the macrostate and the microstate within it. We extend this notion to non-commuting observables forming a subalgebra of the operator space, and use Jaynes' principle to define an algebra-dependent entropy interpolating between von Neumann and observational entropies. Given initial and final measurement sets, connected by internal and/or environment-induced dynamics, we derive a second law for the coarse-grained dynamics. Unlike formulations based on von Neumann entropy, our inequality captures irreversibility from both non-unitary environment-induced dynamics and internal equilibration. It takes the usual form of a positive entropy production when the system is initially at internal equilibrium, while correction terms capture nonequilibrium resources ignored by the coarse-graining. We also derive fluctuation theorems for coarse-grained thermodynamic quantities. Along a quasi-static path of measurement schemes, we identify quantum macroscopic notions of work and heat fulfilling the first and second laws, including an additional work contribution from manipulating the algebra to which the system is confined, through external constraints or quantum measurement backaction. Finally, we apply our framework to examples illustrating the impact of varying the coarse-graining scheme. Our approach unifies macroscopic and stochastic thermodynamics in a genuinely quantum framework, laying the basis for a versatile, experimentally friendly toolbox to analyze complex quantum dynamics.
• Abstract（参考訳）: 我々は、マクロ量子系の熱力学の枠組みを構築した。 完全な密度行列へのアクセスを必要とするアプローチとは対照的に、我々のフレームワークは観測可能な観測値の測定統計に基づく粗い粒度の記述に依存している。 これらの観測値が可換であるとき、結果は、エントロピーが観測エントロピーによって定量化される古典的なマクロ状態を定義し、その内にあるマクロ状態とミクロ状態の両方について不確実性を説明する。 この概念を作用素空間の部分代数を形成する非可換可観測群に拡張し、ノイマンと観測エントロピーの間に補間する代数依存エントロピーを定義するためにジェイネスの原理を使用する。 内部および/または環境誘起力学によって接続された初期および最終測定セットが与えられた場合、粗粒度力学の第2法則を導出する。 フォン・ノイマンエントロピーに基づく定式化とは異なり、我々の不等式は非ユニタリ環境誘起力学と内部平衡の両方から不可逆性を捉える。 正エントロピー生成の通常の形式は、系が最初に内部平衡にあるときの正エントロピー生成であり、補正項は粗粒化によって無視される非平衡資源を捕捉する。 また、粗粒熱力学量に対する揺らぎ定理を導出する。 測定スキームの準静的な経路に沿って、外的制約や量子測定のバックアクションを通じて、系が制限される代数を操作することによる追加の作業を含む、第1法則と第2法則を満たす量子マクロ的な仕事と熱を識別する。 最後に,粗粒化方式の変化の影響を例に,本フレームワークを適用した。 提案手法は, 量子力学を解析するための汎用的, 実験的なツールボックスの基礎となる, 真に量子的枠組みにおけるマクロ的および確率的熱力学を統一するものである。

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