論文の概要: Collective thermalization, work reliability, and resource bounds in a population-inverted Dicke Otto engine

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.30132v1
• Date: Thu, 24 Sep 2026 17:04:32 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-09-25 21:10:10.136978
• Title: Collective thermalization, work reliability, and resource bounds in a population-inverted Dicke Otto engine
• Title（参考訳）: 集団熱化, 作業信頼性, 資源境界
• Abstract要約: 集団反転と集団緩和は共に量子熱エンジンの性能を高めることができる。 作業媒体がN$2レベル成分の対称な集合スピンである量子オットーエンジンについて検討する。 通勤作業ストロークと集合貯水池結合では、力学はディック・はしご上の有限の生死過程に正確に還元される。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Population inversion and collective relaxation can both enhance the performance of a quantum heat engine, but through distinct mechanisms. We study a quantum Otto engine whose working medium is a symmetric collective spin of $N$ two-level constituents. For commuting work strokes and collective reservoir coupling, the dynamics reduces exactly to a finite birth--death process on the Dicke ladder, allowing a unified treatment of stationary operation, work fluctuations, and finite-time relaxation. In the complete-reset limit, passive work per cycle saturates with system size, whereas population inversion yields work that grows linearly with $N$. The work reliability shows the same linear scaling, exceeding the square-root behavior of $N$ independent engines. This enhancement originates from a macroscopic polarization displacement between hot and cold states, while collective coupling instead accelerates the finite-time dynamics through Dicke transition rates. For matched passive and inverted hot states, the extra gross work equals the Otto efficiency times the ergotropy of the inverted state. Charging the corresponding reversible excess state-formation cost removes this advantage, showing that the enhanced output converts a pre-existing active-state resource rather than generating a free thermodynamic gain. Exact finite-contact trajectory statistics further quantify how collective kinetics, fluctuations, correlations, and resource accounting remain linked away from complete reset.
• Abstract（参考訳）: 集団反転と集合緩和は共に量子熱エンジンの性能を高めるが、異なる機構によっては向上する。 作業媒体がN$2レベル成分の対称な集合スピンである量子オットーエンジンについて検討する。 通勤作業ストロークと集合貯水池結合では、力学はディック・はしご上の有限誕生死過程に正確に還元され、定常操作、作業変動、有限時間緩和の統一的な処理が可能となる。 完全リセットの極限では、サイクル当たりの受動的作業はシステムサイズに飽和し、一方、集団反転はN$で線形に成長する作業をもたらす。 作業信頼性は同じ線形スケーリングを示し、$N$独立エンジンの平方根挙動を超えた。 この強化は、熱い状態と冷たい状態の間のマクロ偏極変位に由来するが、集団結合はディック転移速度を通じて有限時間ダイナミクスを加速させる。 整合した受動状態と逆熱状態の場合、余剰な粗い作業は、逆状態のエルゴトロピーのオットー効率の倍に等しい。 対応する可逆的過剰な状態形成コストの充電は、この利点を排除し、拡張出力は、自由な熱力学ゲインを生成するのではなく、既存のアクティブな状態資源を変換することを示す。 厳密な有限接触軌道統計学は、集合運動学、ゆらぎ、相関、資源会計が完全なリセットから遠ざかっているかをさらに定量化する。

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