信息与相干性作为从未知量子态中提取功的资源及实现量子优势

从物理系统中可提取的功量从根本上与其状态信息的可获得性相关,这正如麦克斯韦妖和吉布斯悖论所揭示的那样。在涉及系统-热库相互作用的标准热力学协议中,最大功由初始态与热库温度对应吉布斯态之间的自由能差决定。这引发了一个自然问题:在不涉及热库的封闭量子系统中,通过含时哈密顿量生成的幺正操作获取功时,信息是否同样制约着功的提取?虽然“功提取能力”(ergotropy)通过幺正操作量化了最大可提取功,但其假设了对量子态的完全认知,通常需要完整的量子态层析。然而在实际场景中,我们只能获取部分信息。此时相关的品质因数是“观测功提取能力”(observational ergotropy),它明确依赖于用于探测系统的测量方式。我们证明观测功提取能力会随着测量结果的经典后处理而降低,这意味着精细测量比粗粒度测量能提取更多功。此外,在所有可能测量中最大化观测功提取能力可恢复标准功提取能力,后者可分解为非相干(经典)和相干(量子)两部分贡献。我们的研究结果表明:测量投影算符中的相干性是关键资源,使得功提取能够突破非相干极限,并确立相干性作为观测功提取中量子优势的起源。

作者单位: VIP可见
提交arXiv: 2026-02-26 11:30

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