Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Fundamental limits on anomalous energy flows in correlated quantum systems

Published 7 Jul 2023 in quant-ph and physics.atom-ph | (2307.03828v2)

Abstract: In classical thermodynamics energy always flows from the hotter system to the colder one. However, if these systems are initially correlated, the energy flow can reverse, making the cold system colder and the hot system hotter. This intriguing phenomenon is called ``anomalous energy flow'' and shows the importance of initial correlations in determining physical properties of thermodynamic systems. Here we investigate the fundamental limits of this effect. Specifically, we find the optimal amount of energy that can be transferred between quantum systems under closed and reversible dynamics, which then allows us to characterize the anomalous energy flow. We then explore a more general scenario where the energy flow is mediated by an ancillary quantum system that acts as a catalyst. We show that this approach allows for exploiting previously inaccessible types of correlations, ultimately resulting in an energy transfer that surpasses our fundamental bound. To demonstrate these findings, we use a well-studied quantum optics setup involving two atoms coupled to an optical cavity.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (70)
  1. R. Clausius, T. Hirst, and J. Tyndall, The Mechanical Theory of Heat: With Its Applications to the Steam-engine and to the Physical Properties of Bodies (J. Van Voorst, 1867).
  2. L. Boltzmann, in The Kinetic Theory Of Gases: An Anthology of Classic Papers with Historical Commentary (World Scientific, 2003) pp. 362–367.
  3. J. L. Lebowitz et al., Physics today 46, 32 (1993).
  4. H.-D. Zeh, The Physical Basis of The Direction of Time (Springer, Berlin, 1989).
  5. S. Lloyd, Phys. Rev. A 39, 5378 (1989).
  6. V. Hakim and V. Ambegaokar, Physical Review A 32, 423 (1985).
  7. F. Haake and R. Reibold, Physical Review A 32, 2462 (1985).
  8. M. H. Partovi, Physical Review E 77, 021110 (2008a).
  9. Á. Rivas, S. F. Huelga, and M. B. Plenio, Reports on Progress in Physics 77, 094001 (2014).
  10. F. Sapienza, F. Cerisola, and A. J. Roncaglia, Nature communications 10, 2492 (2019).
  11. M. Hartmann, G. Mahler, and O. Hess, Phys. Rev. Lett. 93, 080402 (2004).
  12. A. Ferraro, A. García-Saez, and A. Acín, Europhysics Letters 98, 10009 (2012).
  13. L. D. Romero and J. P. Paz, Physical Review A 55, 4070 (1997).
  14. M. Campisi, P. Talkner, and P. Hänggi, Phys. Rev. Lett. 102, 210401 (2009).
  15. A. E. Allahverdyan and T. M. Nieuwenhuizen, Phys. Rev. Lett. 85, 1799 (2000).
  16. G. W. Ford and R. F. O’Connell, Phys. Rev. Lett. 96, 020402 (2006).
  17. N. Friis, M. Huber, and M. Perarnau-Llobet, Phys. Rev. E 93, 042135 (2016).
  18. R. Salvia and V. Giovannetti, Physical Review A 105, 10.1103/physreva.105.012414 (2022).
  19. B. Leggio, B. Bellomo, and M. Antezza, Phys. Rev. A 91, 012117 (2015).
  20. A. Hewgill, A. Ferraro, and G. De Chiara, Physical Review A 98, 042102 (2018).
  21. C. L. Latune, I. Sinayskiy, and F. Petruccione, The European Physical Journal Special Topics 230, 841–850 (2021).
  22. T. Holdsworth and R. Kawai, Phys. Rev. A 106, 062604 (2022).
  23. M. H. Partovi, Physical Review E 77, 10.1103/physreve.77.021110 (2008b).
  24. S. Jevtic, D. Jennings, and T. Rudolph, Physical review letters 108, 110403 (2012).
  25. B. Ahmadi, S. Salimi, and A. S. Khorashad, Scientific Reports 11, 10.1038/s41598-021-81737-z (2021).
  26. D. Jennings and T. Rudolph, Physical Review E 81, 10.1103/physreve.81.061130 (2010).
  27. A. Colla, N. Neubrand, and H.-P. Breuer, New Journal of Physics 24, 123005 (2022).
  28. A. R. Mirza, M. N. Jamil, and A. Z. Chaudhry, The role of initial system-environment correlations with a spin environment (2023).
  29. G. Zicari, M. Brunelli, and M. Paternostro, Phys. Rev. Res. 2, 043006 (2020).
  30. K. Modi, Open Systems & Information Dynamics 18, 253 (2011).
  31. A. G. Dijkstra and Y. Tanimura, Physical review letters 104, 250401 (2010).
  32. A. Z. Chaudhry and J. Gong, Physical Review A 88, 052107 (2013).
  33. V. Semin, I. Sinayskiy, and F. Petruccione, Physical Review A 86, 062114 (2012).
  34. J. Dajka and J. Łuczka, Physical Review A 82, 012341 (2010).
  35. P. Lipka-Bartosik, M. Perarnau-Llobet, and N. Brunner, Physical Review Letters 130, 10.1103/physrevlett.130.040401 (2023a).
  36. H. Wilming and R. Gallego, Phys. Rev. X 7, 041033 (2017).
  37. M. P. Müller, Phys. Rev. X 8, 041051 (2018).
  38. P. Lipka-Bartosik and P. Skrzypczyk, Phys. Rev. X 11, 011061 (2021a).
  39. N. Shiraishi and T. Sagawa, Physical Review Letters 126, 150502 (2021).
  40. R. Gallego, J. Eisert, and H. Wilming, New Journal of Physics 18, 103017 (2016).
  41. I. Henao and R. Uzdin, Quantum 5, 547 (2021).
  42. I. Henao and R. Uzdin, Catalytic leverage of correlations and mitigation of dissipation in information erasure (2022).
  43. J. Son and N. H. Ng, arXiv preprint arXiv:2209.15213  (2022).
  44. S. H. Lie and N. H. Y. Ng, Catalysis always degrades external quantum correlations (2023).
  45. D. Jonathan and M. B. Plenio, Phys. Rev. Lett. 83, 3566–3569 (1999).
  46. W. van Dam and P. Hayden, Phys. Rev. A 67, 10.1103/physreva.67.060302 (2003).
  47. S. Turgut, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 40, 12185 (2007).
  48. S. Daftuar and M. Klimesh, Physical Review A 64, 042314 (2001).
  49. X. Sun, R. Duan, and M. Ying, IEEE transactions on information theory 51, 75 (2005).
  50. Y. Feng, R. Duan, and M. Ying, IEEE transactions on information theory 51, 1090 (2005).
  51. P. Lipka-Bartosik and P. Skrzypczyk, Phys. Rev. Lett. 127, 080502 (2021b).
  52. T. V. Kondra, C. Datta, and A. Streltsov, Physical Review Letters 127, 10.1103/physrevlett.127.150503 (2021).
  53. J. Åberg, Phys. Rev. Lett. 113, 150402 (2014).
  54. J. A. Vaccaro, S. Croke, and S. M. Barnett, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 51, 414008 (2018).
  55. I. Marvian and R. W. Spekkens, Phys. Rev. Lett. 123, 020404 (2019).
  56. M. Lostaglio and M. P. Müller, Physical review letters 123, 020403 (2019).
  57. R. Takagi and N. Shiraishi, Physical Review Letters 128, 240501 (2022).
  58. H. Wilming, Physical review letters 127, 260402 (2021a).
  59. R. Rubboli and M. Tomamichel, Physical Review Letters 129, 120506 (2022).
  60. L. van Luijk, R. F. Werner, and H. Wilming, arXiv preprint arXiv:2301.09877  (2023).
  61. S. H. Lie and H. Jeong, Physical Review Research 3, 043089 (2021).
  62. P. Lipka-Bartosik, H. Wilming, and N. H. Y. Ng, Catalysis in quantum information theory (2023b), arXiv:2306.00798 [quant-ph] .
  63. R. H. Dicke, Physical review 93, 99 (1954).
  64. M. Tavis and F. W. Cummings, Physical Review 170, 379 (1968).
  65. L. Vandenberghe and S. Boyd, SIAM review 38, 49 (1996).
  66. P. Skrzypczyk and D. Cavalcanti, Semidefinite Programming in Quantum Information Science, 2053-2563 (IOP Publishing, 2023).
  67. M. Grant and S. Boyd, CVX: Matlab software for disciplined convex programming, version 2.1, http://cvxr.com/cvx (2014).
  68. D. Reeb and M. M. Wolf, New Journal of Physics 16, 103011 (2014).
  69. H. Umegaki, Tohoku Mathematical Journal, Second Series 6, 177 (1954).
  70. H. Wilming, Physical Review Letters 127, 10.1103/physrevlett.127.260402 (2021b).
Citations (7)

Summary

Paper to Video (Beta)

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 0 likes about this paper.