量子热力学循环中的相干控制

The thermodynamic processes of open quantum system in the thermo-fluctuate environment have many different properties from the classical thermodynamics due to the quantum effects such as coherence and entanglement. Because these properties, the efficiency and power of quantum heat engine may surpass its classical counterpart, which provides us the theoretical basis of designing the low consumption and high efficiency quantum coherent devices from the thermodynamic perspective. Meanwhile, the development of the quantum information generates many coherent control methods, which become the necessary tools for the control of quantum thermodynamic processes. Therefore, this project aims to study the effects of quantum coherence in quantum thermodynamic cycles, and how to control the quantum thermodynamic processes in a coherent way. The project focuses on three directions: (1) Steady state coherence induced by the system-bath coupling beyond weak coupling regime, and the influence of this kind of coherence on the efficiency of quantum heat engine; (2) Design a quantum heat engine model with the help of quantum collective phenomena, study the effects induced by the superradiance on the thermodynamic cycle, such as square enhancement of radiation, photon anti-bunching, squeezing, collective Lamb shift etc. (3) Develop the master equation method for time-dependent open quantum system, study the effects of non-adiabatic transition in the dissipative process, and optimize the coherent control scheme of finite-time quantum thermodynamics.

热涨落环境中的开放量子体系，其热力学过程因量子相干性、量子纠缠等效应而表现出许多不同于经典热力学的性质。这些性质使得量子热机的功率和效率有可能超越经典热机，从而为设计低耗高效的量子相干器件提供热力学上的理论依据。同时，随着量子信息技术的进步而发展出的各种相干控制方法，也为量子热力学过程的精确控制提供了必要的手段。因此，本项目拟就量子相干性在量子热力学循环中的作用，以及如何对量子热力学过程进行相干控制展开深入研究。具体的研究内容包括：（1）非弱系统-环境耦合强度诱导产生系统稳态相干性的机制，以及这种相干性对量子热机效率的影响；（2）利用量子集体合作现象设计量子热机模型，研究超辐射引起的辐射强度平方增强、光子反聚束、光场压缩、集体兰姆位移等效应在热力学循环中的作用；（3）发展含时量子开系统的主方程方法，研究非绝热跃迁对耗散过程的影响，优化有限时间量子热力学的相干控制方案。

对量子系统的热力学性质的研究中，量子相干性，量子集体合作效应，以及有限时间热力学过程的非平衡效应一直是人们关注的热点问题，并不断启发着人们深入理解量子力学与热力学之间更深入的联系，并设计更高效的量子热机与热器件。本项目围绕着这些问题，我们在以下三个主要方向完成了一系列工作(a)量子相干性对非平衡三能级系统热放大效应的影响;(b)集体合作量子系统中的能量传输与超窄线宽光谱(c)有限时间热力学中的功率效率约束关系。取得的主要结果有：1）我们在具有量子相干性的非平衡V型三能级系统中研究了热整流和热放大效应，通过Redfield主方程结合全计数统计，我们发现噪声引起的干扰可以在没有负的微分热导时实现远离平衡的热放大，这为设计量子热整流器开辟了一条新途径；2）我们在极化子变换主方程的框架下研究了系统-热库耦合强度对非平衡三能级系统热放大效应的影响，我们发现在中间耦合区间出现了较明显的热放大效应；3）在非平衡体系的能量和激子的传输中，我们研究了光场的非均匀性对腔内有机分子中激子传输效率的影响，并发现与均匀光场相比，非均匀光场可以提高激子的传输效率；4）我们利用量子郎之万方程在平均场近似下研究了88Sr原子系综在磁场作用下3P1-1S0之间的跃迁的发光光谱。基于磁场诱导透明效应机制，我们利用拉曼光实现可调的超窄线宽光谱，光谱线宽极限可以趋向于3P0的自然线宽；5）我们给出了低耗散热机功率与效率的解析约束关系，澄清了低耗散热机模型与基于强耦合热机模型在该问题上并不等价的事实，并给出了一个微观体系的动力学模型对这个一般的约束关系加以验证。