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．

我们在日常生活中处理的物质的热性质是通过热力学来理解和描述的。最有代表性的成果就是支撑我们生活的蒸汽机、内燃机等热机。然而，无论如何改变热机中用作能量转换介质的工作介质的规模，热力学仍然成立，热机的效率如何根据工作介质的大小而变化？正在做出许多努力来解决“这是真的吗？”这个问题特别是以原子、分子等微观实体为工作介质的微型热机理论研究正在加速发展。此外，许多实验都是在量子技术快速进步的背景下进行的。然而，当将量子力学视角引入热机时，阐明“量子性质”所扮演的角色仍然是一个具有挑战性的问题。本研究重点关注热浴相关时间短时区域内的量子相干性和量子行为可逆性（非马尔可夫效应），并阐明其对量子热机热效率的影响。具体来说，我们将考虑使用1/2自旋作为工作介质并在有限时间内运行每个过程的模型，寻找量子可逆性提高热机效率的条件，并开发一个利用“量子性质”的模型”在有限的时间内提高热机的效率，我们的目标是构建一种可运行的微型热机理论。今年，在这项研究之初，我们将构成热机的基本元件分为几个部分。首先，我们从能量角度讨论了 1/2 自旋与热浴相互作用的系统中量子相干性所起的作用，并发表了一篇论文。此外，为了具体实现量子相干控制的建议，我们准备了一个完整的系数统计框架，其中包含旋转磁场的影响，并在物理场展示了我们在量子点电子存储系统中的应用结果。日本学会和国际会议上做了演讲。

项目成果

Effect of Quantum Coherence on Landauer’s Principle

量子相干性对兰道尔原理的影响

• DOI: 10.3390/e24040548
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 2.7
• 作者: Hashimoto Kazunari;Uchiyama Chikako
• 通讯作者: Uchiyama Chikako