論文の概要: Effective Thermodynamics of a Volume-Dependent Qubit

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2611.08040v1
• Date: Thu, 05 Nov 2026 13:55:00 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-11-07 04:55:13.5277
• Title: Effective Thermodynamics of a Volume-Dependent Qubit
• Title（参考訳）: 体積依存量子ビットの有効熱力学
• Abstract要約: エネルギーギャップが体積的制御パラメータに依存するような量子ビットに対する有効熱力学の開発を行う。 我々はオットーの可逆性の源を正確に同定し、エントロピーは等方的熱化の間に完全に生成される。 非平衡電池としてユニタリ生成した非パッシビリティが作用し, 調製コストが省略された場合, カルノットよりも明らかに効率がよいことを示す。
• 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 develop an effective thermodynamics for a qubit whose energy gap depends inversely on a volume-like control parameter, $Δ(V)=Δ_0/V$, where $V$ is a spectral-control coordinate rather than a literal mechanical volume. Starting from the canonical Gibbs state, we derive a complete thermodynamic structure from the Helmholtz potential and its Legendre and stability properties, including the fundamental relation $S(U,V)$, a generalized pressure conjugate to $V$, the equation of state $U=PV$, the first law, and the associated Maxwell relations. Reversible adiabats preserve the Gibbs populations and satisfy $TV=\mathrm{const.}$ and $PV^2=\mathrm{const.}$, corresponding to an effective exponent $γ=2$. The resulting effective Carnot cycle attains the Carnot efficiency, $η_{\mathrm{Carnot}}=1-T_C/T_H$, whereas the Otto cycle yields $η_{\mathrm{Otto}}=1-V_{\min}/V_{\max}$ and remains strictly sub-Carnot at finite work output. We identify the source of Otto irreversibility exactly: entropy is produced entirely during the isochoric thermalizations, and the cycle entropy production quantifies the informational mismatch between the adiabatically transported states and the reservoir-selected Gibbs states through the sum of the corresponding quantum relative entropies. Finally, we show that unitary-generated nonpassivity can act as a nonequilibrium battery, producing an apparent efficiency above Carnot when its preparation cost is omitted. At the same time, complete work accounting restores the thermodynamic bound.
• Abstract（参考訳）: エネルギーギャップが体積的な制御パラメータである$Δ(V)=Δ_0/V$に反比例して依存する量子ビットの有効熱力学を考案する。 標準ギブス状態から始めると、ヘルムホルツポテンシャルとそのルジャンドルと安定性から完全な熱力学構造を導き出し、基本的な関係である$S(U,V)$、一般化圧力が$V$に共役する、状態方程式$U=PV$、第一法則、および関連するマクスウェル関係を含む。 可逆的なアディアバットはギブス族を保護し、$TV=\mathrm{const を満たす。 PV^2=\mathrm{const. }$と$PV^2=\mathrm{const。 実効指数 $γ=2$ に対応する。 その結果、有効カルノットサイクルはカルノット効率が$η_{\mathrm{Carnot}}=1-T_C/T_H$となるのに対し、オットーサイクルは$η_{\mathrm{Otto}}=1-V_{\min}/V_{\max}$となり、有限作業出力において厳密なサブカルノットとなる。 エントロピーは、等方的熱化の過程で生成され、サイクルエントロピー生成は、対応する量子相対エントロピーの和を通して、断熱的に輸送された状態と貯水池選択されたギブス状態の間の情報ミスマッチを定量化する。 最後に, ユニタリ生成した非パッシビリティが非平衡電池として機能することを示し, 調製コストを省略した場合, カーノーよりも高い効率性が得られることを示した。 同時に、完全な作業会計は熱力学的境界を復元する。

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