【摘要】：麥克斯韋妖揭示了物理學熵與信息之間的關(guān)系,并且展示了如何利用信息打破熱力學第二定律對系統(tǒng)與外界能量交換的限制。我們介紹了與麥克斯韋妖相關(guān)的信息熱力學的起源、歷史發(fā)展以及與其有關(guān)的科學前沿問題。麥克斯韋妖佯謬挑戰(zhàn)了熱力學第二定律的正確性,而在蘭道爾提出信息擦除原理后,成功破除這一佯謬,并顯示出信息在物理學過程中所帶來的重要作用。針對麥克斯韋妖參與的信息獲取與反饋控制過程,我們給出了具體應用示例,特別是希拉德熱機模型。本文設(shè)計了一個信息熱機模型,包括系統(tǒng)、多個熱源、輔助系統(tǒng)、量子存儲器四個組成部分。通過分析熱機過程中熵的變換過程,得到熱機對外做功的表達式,這也是引入信息后熱力學第二定律的一個拓展形式。之后,我們對單熱源熱機和兩熱源的情況分別進行了詳細的討論。此外,我們考慮選用不同測量算子的兩個獨立熱機,在含有量子存儲的熵不確定關(guān)系式的幫助下,我們發(fā)現(xiàn)兩個熱機最大功之和會有一個下限值的約束,而此下限值恰好與輔助系統(tǒng)和量子存儲器的糾纏有關(guān)。不同于傳統(tǒng)熱力學第二定律對做功有上限要求,這個結(jié)果給出最大輸出功的下限要求。然而,這個下限約束成立的條件是系統(tǒng)做功能取到最大值。文中還從另一個角度探討了熱力學第二定律。首先,在量子比特系統(tǒng)中,針對兩個自旋算子和三個自旋算子的情況,我們分別得到相應的細�；淮_定關(guān)系式。進而擴展到d維希爾伯特空間,選取以互不偏基構(gòu)成的兩個投影測量,推出了相應的細粒化不確定關(guān)系式的一般形式。所有這些不確定關(guān)系式都可以通過構(gòu)建不同的熱力學循環(huán)得出相同的結(jié)論:違反這些不確定關(guān)系式必將導致會違反熱力學第二定律。這個結(jié)論揭示了不確定性原理與熱力學第二定律之間的聯(lián)系。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O41

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本文編號：2640792