量子过程的热力学:自由能与可逆非热性的操作框架

该团队通过公理化方法为量子过程(量子通道)引入自由能定义,从而探索其热力学特性。该自由能基于量子相对熵概念,其参照基准为具有热库平衡固定输出的绝对热通道。这一定义在量子信息处理和热力学任务中的操作解释获得了有力支撑。研究团队构建了量子过程非热性的资源理论框架,其中自由操作是保持吉布斯态的超级通道,而基准单位则为针对输出哈密顿量完全简并的绝对热通道所对应的酉通道。借助假设检验和最大相对熵方法,该工作精确刻画了基于绝对热通道的单次量子通道蒸馏与形成效率。这些效率在渐近情形下收敛于通道自由能(需乘以半倍逆温度系数),既确立了其操作意义,也证明了非热性的渐近可逆性。该团队揭示了非热性资源理论与量子信息任务(如私密随机性提纯与纯度蒸馏)及热力学任务(如信息擦除与功提取)之间的直接关联。该研究将自由能、能量、熵和量子过程最大可提取功等核心热力学概念与其信息处理能力建立了本质联系。

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提交arXiv: 2025-10-14 17:58

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