热力学中信息非平衡的资源理论

我们回顾了基于量子信息理论的热力学基础的最新工作。我们采用资源理论的视角，将热力学表述为一种关于代理人在特定限制下能实现什么的理论，即他们能免费实施的唯一状态制备和变换是在某个固定温度下处于热平衡的那些。偏离热平衡的状态即为资源。我们考虑该理论的一个特例，其中所有系统都具有平凡哈密顿量（即它们的所有能级都是简并的）。在这种情况下，唯一的自由操作是向系统添加噪声（或实施可逆演化），唯一的非平衡态是信息非平衡态，即偏离最大混合态的状态。我们将这种偏离的程度称为状态的非均匀性；这是此处关注的资源，例如在擦除操作中被消耗的燃料。我们考虑了不同类型的状态转换：精确与近似、单次射击与渐近、催化与非催化。在每种情况下，我们都提出了任意一对状态之间转换可能的必要和充分条件，强调了用 Lorenz 曲线对这些条件的几何表示。我们还回顾了量化状态非均匀性的问题，特别是通过使用广义熵。该资源理论中的量子态转换问题可被证明总是可归约为其经典对应问题，因此此类问题中不存在固有的量子力学特征。这项工作还表明，热力学第二定律的标准公式作为判断给定状态转换是否可能的标准是不充分的。