量子斯蒂林循环中再生的热力学成本

我们研究了标准的四步再生型量子斯蒂林热机循环，在该循环中假设每个阶段都处于局部热平衡状态，基于标准的弱耦合、马尔可夫型开放量子系统框架。我们指出，在简化的开放系统描述下，再生过程并非热力学上“免费”，我们通过修改循环效率的方式将必需的再生工作输入明确地作为再生成本加以考虑。我们考察了两种工作介质——自旋-$1/2$ 以及相互作用的自旋-$1/2$ 粒子对，并通过取再生成本位于卡尔诺热泵极限最小值来分析循环性能。为比较，我们同样分析了在相同条件下的无再生常规斯蒂林循环。一旦包括再生成本，在免费再生假设下报告的超卡尔诺效率便消失：修改后的效率仍低于卡尔诺边界，却仍高于常规斯蒂林循环的效率。对于常规斯蒂林循环，我们提供了使用量子相对熵的严格卡尔诺边界；而对于再生型循环，我们推导了保证热力学一致性的再生成本下界。最后，我们提出了三个候选量子再生器模型供未来研究使用。