量子Szilard热机中的最优麦克斯韦妖

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随着量子力学领域的发展,人们对物理现象的认识开始转向了微观层面,很多经典物理学的概念被推广到量子物理学的领域进而形成了很多新的学科,如量子信息学、量子热力学等。近年来,量子理论知识与量子信息技术的发展促进了量子热机的发展。量子热机不同于经典热机,因为量子热机的工作物质及原理受量子领域的量子纠缠、量子相干、简并等量子特性的影响。量子相干性和量子纠缠都是有用的物理资源,在量子Szilard热机的全量子分析中,麦克斯韦妖量子态的相干性是量子Szilard热机的有用资源已被证实。本文主要研究麦克斯韦妖的相干性对量子Szilard热机的影响,并通过上述研究进一步对量子信息学和量子热力学等方面的知识进行学习。首先,介绍热力学和量子力学的相关理论知识。其次,对量子Szilard热机的工作原理和量子Szilard热机的具体每个过程进行了量子分析。在此基础上,结合量子相干性和量子纠缠的知识对量子Szilard热机的量子测量过程进行了介绍,指出量子Szilard热机的效率与量子麦克斯韦妖相干性的参考基选择有关。量子麦克斯韦妖的相干性取决于参考基的选择,所以选择最优参考基以获得量子Szilard热机的最大效率具有重要意义。我们结合量子力学中量子相干性性质和熵的相关知识,推导出了具有量子相干的麦克斯韦妖辅助量子Szilard热机时热机的效率表达式。结果表明此时量子Szilard热机的效率与量化麦克斯韦妖量子相干的参考基和插入过程插板的位置有关,用参考基的旋转角度和插板后粒子在右侧的概率这两个参数来体现。我们对两个参数取不同值时的热机效率进行分析,并计算出了最优的参考基和此时对应的量子Szilard热机的效率。
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