从开放量子系统角度分析量子热力学

量子力学为量子信息理论的发展提供了理论依据，同时量子信息的发展也为量子力学和热力学理论的进一步研究提供了崭新的视角。量子热力学是从量子物理出发分析热力学的理论，它有助于人们对热力学理论的更深入理解(比如量子纠缠与量子统计系综的关系等)。本项目中，我们将利用开放量子系统理论和方法研究量子热力学，具体地，我们将考虑非平衡环境驱动量子系统做功问题，为人们更好地利用量子资源提取功提供理论依据；研究量子关联与功提取的关系，从热力学角度分析和揭示量子纠缠与量子discord之间的区别与联系；利用主方程方法结合蒙特卡罗波函数方法研究非平衡系统中能量的输运问题，为从量子理论出发研究系统的非平衡行为提供依据，为量子热力学理论的全面发展奠定理论基础。

受量子信息学及开放量子系统理论的启发，同时也由近年来实验技术的发展所导致的理论研究需要，我们在本项目中研究了以量子系统为工作物质的量子热机的性能以及开放量子系统问题，具体内容与结果包括：以压缩热库和非马可夫热库等非经典热源作为热源为工作物质加热可以有效地提高量子热机的性能，并且不违反热力学定律；以单自旋系统为工作物质的可逆量子Stirling热机其逆循环并不一定是制冷机，以耦合自旋为工作物质的量子Stirling热机可以通过增加耦合强度转变为制冷机；耦合量子系统的性质并不等于其子系统的和，并且复合系统是热机其系统可以是制冷机；分析了纠缠对量子Otto热机性能的影响；研究了广义Lindblad主方程的非马可夫性等问题。这些问题的研究结果对人们更好地利用量子资源、以及从更本质的角度认识热力学的基本概念提供了有价值的参考。