論文の概要: Gauge-invariant thermodynamics of a finite-time quantum Otto engine
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2607.09857v1
- Date: Fri, 10 Jul 2026 18:00:03 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-07-14 15:40:48.230196
- Title: Gauge-invariant thermodynamics of a finite-time quantum Otto engine
- Title（参考訳）: 有限時間量子オットーエンジンのゲージ不変熱力学
- Abstract要約: ゲージ不変な量子熱力学の枠組みにおける有限時間量子オットーエンジンについて検討する。
この定式化において、熱力学的量は熱力学的に区別できない状態の同値類で定義される。
我々はこれらの量について明示的な表現を導き、ユニタリストローク中に実行される通常の作業が不変のコントリビューションに分解されることを示す。
- 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 investigate a finite-time quantum Otto engine within the framework of gauge-invariant quantum thermodynamics, using the Lipkin-Meshkov-Glick model as the working medium. In this formulation, thermodynamic quantities are defined on equivalence classes of thermodynamically indistinguishable states, leading naturally to gauge-invariant notions of work, heat, entropy, and efficiency. We derive explicit expressions for these quantities and show that the usual work performed during the unitary strokes decomposes into an invariant contribution, associated with changes in the instantaneous energy spectrum and populations, and a coherent contribution arising from finite-time quantum coherences. This decomposition induces the corresponding splittings of engine efficiency and entropy production, providing a geometric interpretation of finite-time irreversibility and clarifying the role of coherence in work extraction. By analyzing the cycle's dependence on driving speed and system size, we identify the engine's operating region and investigate the influence of criticality. We show that crossing the critical region substantially reduces the parameter space in which the cycle operates as a heat engine. At the same time, whenever the engine condition remains satisfied, the discrepancy between the conventional and gauge-invariant descriptions becomes strongly suppressed, indicating that the gauge-invariant sector predominantly carries the extracted work. These results establish a direct connection between gauge-invariant thermodynamics, finite-time irreversibility, and work extraction in many-body quantum thermal machines.
- Abstract（参考訳）: ゲージ不変な量子熱力学の枠組みにおける有限時間量子オットーエンジンについて,リプキン-メシュコフ-グリックモデルを用いて検討した。
この定式化において、熱力学量は熱力学的に区別不可能な状態の同値類で定義され、自然に仕事、熱、エントロピー、効率のゲージ不変の概念が導かれる。
我々はこれらの量について明示的な表現を導き、ユニタリストロークで実行される通常の作業は、瞬時エネルギースペクトルと人口の変化と有限時間量子コヒーレンスから生じるコヒーレントな寄与に関連する不変な寄与に分解されることを示す。
この分解はエンジン効率とエントロピー生産の対応する分割を誘導し、有限時間不可逆性の幾何学的解釈を提供し、作業抽出におけるコヒーレンスの役割を明確にする。
運転速度とシステムサイズに対するサイクルの依存性を解析することにより,エンジンの動作領域を特定し,臨界の影響について検討する。
臨界領域を横断するとサイクルが熱機関として動作するパラメータ空間が大幅に減少することを示す。
同時に、エンジン条件が満たされたままであれば、従来のゲージ不変記述とゲージ不変記述との相違が強く抑制され、ゲージ不変セクターが主に抽出された作業を行うことを示す。
これらの結果は、ゲージ不変熱力学、有限時間不可逆性、および多体量子熱機械の作業抽出との間の直接接続を確立する。
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