Resource Theory of Quantum States Out of Thermal Equilibrium

量子纠缠 次线性函数 量子 理论物理学 叠加原理 统计物理学 计算机科学 物理 数理经济学 量子力学 数学 离散数学
作者
Fernando G. S. L. Brandão,Michał Horodecki,Jonathan Oppenheim,Joseph M. Renes,Robert W. Spekkens
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:111 (25) 被引量:582
标识
DOI:10.1103/physrevlett.111.250404
摘要

The ideas of thermodynamics have proved fruitful in the setting of quantum information theory, in particular the notion that when the allowed transformations of a system are restricted, certain states of the system become useful resources with which one can prepare previously inaccessible states. The theory of entanglement is perhaps the best-known and most well-understood resource theory in this sense. Here we return to the basic questions of thermodynamics using the formalism of resource theories developed in quantum information theory and show that the free energy of thermodynamics emerges naturally from the resource theory of energy-preserving transformations. Specifically, the free energy quantifies the amount of useful work which can be extracted from asymptotically-many copies of a quantum system when using only reversible energy-preserving transformations and a thermal bath at fixed temperature. The free energy also quantifies the rate at which resource states can be reversibly interconverted asymptotically, provided that a sublinear amount of coherent superposition over energy levels is available, a situation analogous to the sublinear amount of classical communication required for entanglement dilution.
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