相互作用量子系統(tǒng)熱力學循環(huán)性能研究.pdf

1、近年來受量子信息研究的帶動以及實驗技術進步的影響,量子力學和統(tǒng)計物理學的一些基本問題受到研究者的關注。在眾多學者的努力下,基于量子力學的熱力學理論體系正在逐步完善,我們稱之為量子熱力學。回顧熱力學發(fā)展的歷史,可以看到研究熱機的性能在經典熱力學的建立和發(fā)展過程中發(fā)揮了重要的作用。同樣地,量子熱機是人們研究量子熱力學問題的平臺,不斷改進和完善各種量子熱機的過程就是量子熱力學理論不斷完善的過程。量子熱機是指以量子系統(tǒng)(如諧振子系統(tǒng)、自旋系統(tǒng),

2、無限深勢阱中的微觀粒子,及量子比特等)為工質并能對外做功的熱力學循環(huán)模型。由于工質的量子性,量子熱機與經典熱機相比有很多獨特的性質,從而量子熱機近年成為一個備受關注的研究熱點,人們試圖發(fā)現一些有別于經典熱機的新現象。
　　 本文主要基于各種量子熱力學循環(huán)模型,研究與量子熱力學有關的基本問題,分析不同量子系統(tǒng)為工質的熱力學循環(huán)過程的能量變化及其效率等并進行優(yōu)化。從現代熱力學的發(fā)展和研究現狀可以知道,量子熱力學從最初研究無相互作用的

3、量子系統(tǒng)的熱力學循環(huán)發(fā)展到研究有各種相互作用,及考慮量子摩擦等不可逆因素影響的量子熱力學循環(huán),這是一個值得研究的發(fā)展方向。
　　 在第二章,我們構建了一個比較特殊的不可逆諧振子量子熱機循環(huán)模型,由兩個等溫,一個絕熱和一個等頻率過程構成?；诹孔又鞣匠毯桶肴悍椒?我們具體分析了諧振子系統(tǒng)的重要的熱力學性能參數,在高溫極限下推導了諸如吸、放熱,輸出功,輸出功率、循環(huán)效率及熵產率等的表達式。通過數值分析,我們繪制了一系列性能特征曲線,

4、如輸出功率和效率的優(yōu)化曲線,生態(tài)學函數和效率的優(yōu)化曲線,輸出功率和工質熱溫比在最大生態(tài)學函數時的關系曲線等。另外,還對在最大生態(tài)學函數和最大輸出功率下的循環(huán)效率分別進行了比較。
　　 在第三章,我們研究了有量子摩擦情況下的不可逆量子奧托制冷循環(huán)的性能。基于海森堡量子主方程,我們推導了諧振子系統(tǒng)熱力學可觀測量的運動方程,并且繪制了制冷循環(huán)的模擬圖。數值分析了平均摩擦功率、制冷率、制冷系數和輸入功率與絕熱過程時間的關系。進一步分析了

5、熱傳導和等頻率過程時間對循環(huán)性能參數的影響。
　　 在第四章,我們研究了兩個有XY相互作用的qubit為工質的四能級量子糾纏熱機的性能。這是個有趣的量子奧托熱機循環(huán),我們假設其絕熱過程中保持量子相互作用常數不變而改變外磁場。根據量子熱力學的相關理論我們分析了其做功和吸放熱情況,并對最大效率和正功條件進行了詳細分析,同時通過數值分析繪制了各熱力學參量與熱糾纏之間的關系曲線。我們發(fā)現量予系統(tǒng)間的糾纏作用對熱機性能影響很大,量子熱機可

6、能在更寬松的條件下對外做功。
　　 在第五章,我們延續(xù)了對量子糾纏作用的研究?；诙孔颖忍匾痪S各向同性的自旋1/2的海森堡Hxx鏈模型我們構建了兩個qubit量子糾纏系統(tǒng)為工質的四能級制冷循環(huán),分析了在循環(huán)中系統(tǒng)與外界交換的熱量、輸入功、制冷率等熱力學參數與量子糾纏之間的關系。我們發(fā)現了一些與量子糾纏熱機不一樣的性質,這可以使我們更全面的了解量子糾纏作用對熱力學循環(huán)的影響。
　　 在第六章,我們構建了工作在單模場中的兩