熱力学的トレードオフ関係における対称性の効果を解明~高速動作と省エネ性を両立する熱デバイスの実現に向けて~

2025-02-28 東京大学

熱力学的トレードオフ関係における対称性の効果を解明~高速動作と省エネ性を両立する熱デバイスの実現に向けて~

東京大学大学院工学系研究科の布能謙講師と電気通信大学大学院情報理工学研究科の田島裕康助教は、量子開放系のダイナミクスにおいて、操作速度とエネルギーコストの関係に対する対称性の影響を理論的に解明しました。この研究により、従来の量子熱機関の性能を大幅に上回るモデルが構築され、高速動作と省エネルギー性を兼ね備えた熱デバイスや量子情報処理デバイスの設計原理への応用が期待されています。

<関連情報>

有限時間熱力学トレードオフ関係における対称性誘起エンハンスメント Symmetry Induced Enhancement in Finite-Time Thermodynamic Trade-Off Relations

Ken Funo,Hiroyasu Tajima
Physical Review Letters  Published: 27 February, 2025
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.080401

Abstract

Symmetry imposes constraints on open quantum systems, affecting the dissipative properties in nonequilibrium processes. Superradiance is a typical example in which the decay rate of the system is enhanced via a collective system-bath coupling that respects permutation symmetry. Such a model has also been applied to heat engines. However, a generic framework that addresses the impact of symmetry in finite-time thermodynamics is not well established. Here, we show a symmetry-based framework that describes the fundamental limit of collective enhancement in finite-time thermodynamics. Specifically, we derive a general upper bound on the average jump rate, which quantifies the fundamental speed set by thermodynamic speed limits and trade-off relations. We identify the symmetry condition that achieves the obtained bound, and explicitly construct an open quantum system model that goes beyond the enhancement realized by the conventional superradiance model.

1700応用理学一般
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