相互作用量子系統(tǒng)熱力學(xué)循環(huán)性能研究.pdf

1、近年來(lái)受量子信息研究的帶動(dòng)以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)步的影響,量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的一些基本問(wèn)題受到研究者的關(guān)注。在眾多學(xué)者的努力下,基于量子力學(xué)的熱力學(xué)理論體系正在逐步完善,我們稱之為量子熱力學(xué)?；仡櫉崃W(xué)發(fā)展的歷史,可以看到研究熱機(jī)的性能在經(jīng)典熱力學(xué)的建立和發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。同樣地,量子熱機(jī)是人們研究量子熱力學(xué)問(wèn)題的平臺(tái),不斷改進(jìn)和完善各種量子熱機(jī)的過(guò)程就是量子熱力學(xué)理論不斷完善的過(guò)程。量子熱機(jī)是指以量子系統(tǒng)(如諧振子系統(tǒng)、自旋系統(tǒng),

2、無(wú)限深勢(shì)阱中的微觀粒子,及量子比特等)為工質(zhì)并能對(duì)外做功的熱力學(xué)循環(huán)模型。由于工質(zhì)的量子性,量子熱機(jī)與經(jīng)典熱機(jī)相比有很多獨(dú)特的性質(zhì),從而量子熱機(jī)近年成為一個(gè)備受關(guān)注的研究熱點(diǎn),人們?cè)噲D發(fā)現(xiàn)一些有別于經(jīng)典熱機(jī)的新現(xiàn)象。
　　 本文主要基于各種量子熱力學(xué)循環(huán)模型,研究與量子熱力學(xué)有關(guān)的基本問(wèn)題,分析不同量子系統(tǒng)為工質(zhì)的熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程的能量變化及其效率等并進(jìn)行優(yōu)化。從現(xiàn)代熱力學(xué)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀可以知道,量子熱力學(xué)從最初研究無(wú)相互作用的

3、量子系統(tǒng)的熱力學(xué)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(xué)循環(huán),這是一個(gè)值得研究的發(fā)展方向。
　　 在第二章,我們構(gòu)建了一個(gè)比較特殊的不可逆諧振子量子熱機(jī)循環(huán)模型,由兩個(gè)等溫,一個(gè)絕熱和一個(gè)等頻率過(guò)程構(gòu)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(xué)性能參數(shù),在高溫極限下推導(dǎo)了諸如吸、放熱,輸出功,輸出功率、循環(huán)效率及熵產(chǎn)率等的表達(dá)式。通過(guò)數(shù)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(xué)函數(shù)和效率的優(yōu)化曲線,輸出功率和工質(zhì)熱溫比在最大生態(tài)學(xué)函數(shù)時(shí)的關(guān)系曲線等。另外,還對(duì)在最大生態(tài)學(xué)函數(shù)和最大輸出功率下的循環(huán)效率分別進(jìn)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?；诤Ｉち孔又鞣匠?我們推導(dǎo)了諧振子系統(tǒng)熱力學(xué)可觀測(cè)量的運(yùn)動(dòng)方程,并且繪制了制冷循環(huán)的模擬圖。數(shù)值分析了平均摩擦功率、制冷率、制冷系數(shù)和輸入功率與絕熱過(guò)程時(shí)間的關(guān)系。進(jìn)一步分析了

5、熱傳導(dǎo)和等頻率過(guò)程時(shí)間對(duì)循環(huán)性能參數(shù)的影響。
　　 在第四章,我們研究了兩個(gè)有XY相互作用的qubit為工質(zhì)的四能級(jí)量子糾纏熱機(jī)的性能。這是個(gè)有趣的量子奧托熱機(jī)循環(huán),我們假設(shè)其絕熱過(guò)程中保持量子相互作用常數(shù)不變而改變外磁場(chǎng)。根據(jù)量子熱力學(xué)的相關(guān)理論我們分析了其做功和吸放熱情況,并對(duì)最大效率和正功條件進(jìn)行了詳細(xì)分析,同時(shí)通過(guò)數(shù)值分析繪制了各熱力學(xué)參量與熱糾纏之間的關(guān)系曲線。我們發(fā)現(xiàn)量予系統(tǒng)間的糾纏作用對(duì)熱機(jī)性能影響很大,量子熱機(jī)可

6、能在更寬松的條件下對(duì)外做功。
　　 在第五章,我們延續(xù)了對(duì)量子糾纏作用的研究。基于二量子比特一維各向同性的自旋1/2的海森堡Hxx鏈模型我們構(gòu)建了兩個(gè)qubit量子糾纏系統(tǒng)為工質(zhì)的四能級(jí)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(xué)參數(shù)與量子糾纏之間的關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)了一些與量子糾纏熱機(jī)不一樣的性質(zhì),這可以使我們更全面的了解量子糾纏作用對(duì)熱力學(xué)循環(huán)的影響。
　　 在第六章,我們構(gòu)建了工作在單模場(chǎng)中的兩