論文の概要: The Trinity of Markovian Quantum Thermodynamics: Unifying the Axiomatic, Microscopic, and Operational Paradigms

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2607.15376v1
• Date: Thu, 16 Jul 2026 18:20:30 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-07-20 17:56:52.679895
• Title: The Trinity of Markovian Quantum Thermodynamics: Unifying the Axiomatic, Microscopic, and Operational Paradigms
• Title（参考訳）: マルコフ量子熱力学のトリニティ--公理・顕微鏡・操作パラダイムの統合
• Abstract要約: 熱的リンドブレディアンがマルコビアン性、時間変換対称性、量子詳細バランスを満たすことは、まさにエネルギー保存型熱衝突モデルとして顕微鏡的実現を認めるものであることを示す。 これはマルコフの量子熱力学への既存のアプローチを統一し、その力学的な基盤を同定する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.3805935148497361
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Thermodynamics imposes fundamental constraints on the evolution of quantum systems. These constraints and their dynamical consequences have been formulated within distinct paradigms, including axiomatic approaches based on quantum master equations, microscopic descriptions of open-system dynamics, and operational formulations rooted in resource theories. While each perspective has yielded important insights into thermodynamically consistent quantum dynamics, their precise relationship has remained unresolved. Here we establish the exact equivalence of these three paradigms in the Markovian regime. We prove that thermal Lindbladians satisfying Markovianity, time-translation symmetry, and quantum detailed balance are precisely those admitting a microscopic realisation as an energy-conserving thermal collision model and, equivalently, those generating Markovian thermal operations. This unifies the existing approaches to Markovian quantum thermodynamics and identifies its dynamical underpinnings. We further provide an explicit microscopic protocol for simulating thermal Markovian processes with controlled finite-time simulation errors. We illustrate its applicability by providing faithful thermal collision-model implementations of a qubit thermalising in a bosonic environment and of a three-level autonomous thermal machine. In the latter case, the protocol gives rise to a finite-stroke thermal engine that not only reproduces the continuous-time dynamics but also its steady-state thermodynamic performance. As a whole, these results establish a unified foundation for Markovian quantum thermodynamics, showing that its axiomatic, microscopic, and operational formulations are exactly equivalent and providing a universal protocol for implementing thermal processes and machines.
• Abstract（参考訳）: 熱力学は量子系の進化に基本的な制約を課す。 これらの制約とその動的帰結は、量子マスター方程式に基づく公理的アプローチ、開系力学の微視的記述、資源理論に根ざした操作的定式化など、異なるパラダイムで定式化されている。 それぞれの視点は熱力学的に一貫した量子力学に関する重要な洞察を得たが、それらの正確な関係は未解決のままである。 ここでは、マルコフ体制におけるこれらの3つのパラダイムの正確な等価性を確立する。 熱的リンドブレディアンがマルコビアン性、時間変換対称性、量子詳細バランスを満たすことは、正確にはエネルギー保存型熱衝突モデルとして顕微鏡的実現を許容するものであり、同値である。 これはマルコフの量子熱力学への既存のアプローチを統一し、その力学的な基盤を同定する。 さらに、有限時間シミュレーション誤差を制御した熱マルコフ過程をシミュレートするための顕微プロトコルを提供する。 本研究では, ボソニック環境および3レベル自律熱機械において, クビット熱発生の忠実な熱衝突モデル実装を提供することにより, その適用性を示す。 後者の場合、このプロトコルは、連続時間力学を再現するだけでなく、定常熱力学性能も再現する有限ストローク熱エンジンを生み出す。 全体として、これらの結果はマルコフ量子熱力学の統一基盤を確立し、その公理的、顕微鏡的、運用的な定式化が完全に等価であることを示し、熱プロセスや機械を実装するための普遍的なプロトコルを提供する。

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