量子可逆性を利用した微小熱機関の有限時間操作プロトコル構築に関する研究

利用量子可逆性构建微热发动机有限时间运行协议的研究

• 批准号: 22K03467
• 负责人: 内山 智香子
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: University of Yamanashi
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03467/
• 关键词: 量子熱機関; 量子コヒーレンス; 非マルコフ効果; 微小熱機関; 量子可逆性

我々の日常生活で取り扱う物質の熱的な性質は，熱力学によって理解・記述されている．その代表的な成果は蒸気機関や内燃機関などの熱機関として結実し，われわれの生活を支えている．しかし，熱機関においてエネルギー変換の媒体として利用される作業媒質のスケールをどのように変化しても，熱力学が成り立つのか，また，熱機関の効率は作業媒質の大きさによってどのように変化するのか，という問いに対する取り組みが盛んに行われている．特に，作業媒質を原子・分子といったミクロなスケールの実体とした微小熱機関に関する理論研究が加速している．のみならず，量子技術の急速な進展を背景に，実験も数多く行われている．しかし熱機関に量子力学的視点を持ち込む際，「量子性」の果たす役割の明確化は未だ挑戦的な課題として残されている．本研究は，この量子性として特に，量子コヒーレンスと，熱浴の相関時間程度の短時間領域の振る舞い（非マルコフ効果）の量子可逆性に注目し，量子熱機関の熱効率への影響を明らかにすることを目的とする．具体的には， 1/2スピンを作業媒質とし，各過程を有限時間で操作するモデルを考え，量子可逆性が熱機関効率を向上させる条件を探索し，「量子性」を利用した有限時間操作可能な微小熱機関の理論構築を行うことを目指している．本研究の開始にあたり，今年度は熱機関を構成する基本要素に分けて検討を行った．まず，1/2スピンが熱浴と相互作用している系において，量子コヒーレンスが果たす役割についてのエネルギー的視点からの考察を行い，論文発表を行った．また，量子コヒーレンスの制御の具体的実装提案を見越して，回転磁場の影響を取り込んだ完全係数統計の枠組みを整え，量子ドットー電子溜系に適用を行った結果について，日本物理学会および国際会議にて発表を行った．

热力学对我们在日常生活中处理的材料的热特性被理解和描述。他们的典型结果是富有成果的，因为蒸汽机和内燃机等热发动机支持我们的生活。但是，无论是如何改变热力学的比例用作加热发动机中的能量转换介质的规模如何，以及热发动机的效率如何根据工作介质的大小而改变，因此有很多努力来解决热力学是否保持真实的问题。特别是，关于原子和分子等工作培养基的微热发动机的理论研究正在加速对微热发动机的理论研究。它不仅是在量子技术快速进步的背景下进行的大量实验。但是，当将量子机械观点引入热发动机时，澄清“量子”扮演的作用仍然是一项艰巨的任务。这项研究旨在通过关注量子相干性和短期行为（非马尔科夫效应）对量子相干性和热浴之间的相关程度的量子相干性和量子可逆性来阐明量子热发动机的热效率。具体而言，我们的目的是考虑一个模型，其中1/2自旋用作工作介质，并且每个过程在有限的时间内进行操作，以寻找量子可逆性提高热发动机效率的条件，并构建可以使用“量子”以有限时间在有限时间内操作的微热发动机的理论。为了开始这项研究，今年我们进行了一项研究，分为构成热发动机的基本要素。首先，我们讨论了量子相干性在1/2旋转从充满活力的角度与热浴相互作用的系统中的作用，并发表了一篇论文。此外，为实施量子相干控制的具体建议，准备了完美系数统计的框架，以结合旋转磁场的影响，并在日本的物理社会和国际会议上提出了量子dotto电子储层系统的应用结果。