量子热力学的几何与信息论方面

在本论文中，我研究了热力学中最基本问题之一的各个方面：在特定约束下，量子系统在与热浴相互作用时可以经历哪些状态变换？这些约束可能涉及总能量守恒、记忆效应或有限尺寸考虑。解决这个问题带来了 (i) 对热力学时间箭头结构的表征，(ii) 一个弥合无记忆和任意非马尔可夫热力学过程之间差距的框架，以及 (iii) 在量子信息框架内对著名的涨落-耗散关系的推导。最后，本论文的最后一部分专注于研究科学中普遍存在的现象，即所谓的催化。它涉及使用一个辅助系统（催化剂）来实现原本不可能实现的过程。在过去二十年中，这一概念已传播到量子物理领域。然而，这种效应通常在一个高度抽象的框架内描述。尽管取得了成功，这种方法难以完全捕捉物理可实现系统的行为，从而限制了量子催化在实际场景中的适用性。引人注目的是，我将在一个典范的量子光学装置，即 Jaynes-Cummings 模型中演示这一效应，其中原子与光学腔相互作用。原子扮演催化剂的角色，并允许在腔中确定性地产生非经典光，这可由亚泊松统计或 Wigner 负性证明。