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Finite-time optimization of a quantum Szilard heat engine

量子 热机 计算机科学 物理 核工程 热力学 工程类 量子力学
作者
Tan-Ji Zhou,Yuhan Ma,C. P. Sun
出处
期刊:Physical review research [American Physical Society]
卷期号:6 (4)
标识
DOI:10.1103/physrevresearch.6.043001
摘要

We propose a finite-time quantum Szilard engine (QSE) with a spin-1/2 quantum particle as the working substance (WS) to accelerate the operation of information engines. We introduce a Maxwell's demon (MD) to probe the spin state within a finite measurement time tM to capture the which-way information of the particle, quantified by the mutual information I(tM) between WS and MD. We establish that the efficiency η of QSE is bounded by η1(1ηC)ln2/I(tM), where I(tM)/ln2 characterizes the ideality of quantum measurement, and approaches 1 for the Carnot efficiency reached under ideal measurement in quasistatic regime. We find that the output power of QSE scales as POtM3 in the short-time regime and as POtM1 in the long-time regime. Additionally, considering the energy cost for erasing the MD's memory required by Landauer's principle, there exists a threshold time that guarantees QSE to output positive work. Published by the American Physical Society 2024

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