激光与二能级系统间相干能量交换的热力学

我们研究了在近共振条件下，从弱驱动到强驱动区域，耦合到二能级系统（量子比特）的相干宏观电磁场（激光）的量子热力学。该复合系统进而与热辐射场弱耦合，并可用自治量子主方程描述。我们表明激光充当自治功源，且在宏观极限下，产生的功与激光的相位无关。利用修饰量子比特方法，我们表明激光能量的变化并非传递给修饰量子比特的功，后者实际上是从“修饰激光”——激光与量子比特的相干叠加——中获得的。利用带有计数场的两点测量技术，我们获得了激光和修饰激光做功的完整计数统计，并表明它们满足 Crooks 涨落定理。随后，我们将这些定理作为标准来研究量子主方程的热力学一致性，首先是在该复合系统的自治设定中，然后是在消除相干场并由含时外场有效描述的非自治设定中。已知将激光视为外场在强驱动区域下求得的功表达式与量子热力学预测相矛盾。我们表明这些不一致性源于混淆了激光与修饰激光，并展示了如何修正它们。我们还推导了一个在所有驱动区域均热力学一致的新主方程，通过附加近似（我们也考察了其一致性）可从中得到 Bloch 和 Floquet 主方程。