量子开放系统的热力学：在量子光学与光力学中的应用

热力学在19世纪发展起来，为热机等宏观热机提供物理描述。此后，纳米技术的进步促使将这些最初为经典系统设计的理论形式扩展到量子世界。在本论文中，我建立了一个研究量子系统随机热力学的形式体系，其中量子测量起核心作用：如同标准随机热力学中的热库，它是系统动力学中随机性的主要来源。我首先研究了投影测量作为热力学过程。我证明测量负责系统能量的一项不可控变化，我称之为量子热，以及熵的产生。作为概念验证，我研究了一台从测量诱导的量子涨落中提取功的引擎。然后，我将此形式体系推广到广义测量，从而能够描述开放量子系统（即与库接触的系统）。我为热力学协议单次实现定义了功、热和熵产生，并重新得到这些量服从涨落定理。我将此形式体系应用于量子光学的典型情形，即一个量子比特耦合到激光和真空。最后，我研究了一个测试量子比特热力学的有前景平台：混合光机械系统。本论文发展的形式体系对量子热力学界有意义，因为它能够表征量子热机并将其性能与经典类似物比较。此外，由于它将量子测量设定为热力学过程，它为新型热力学机器铺平了道路，以前所未有的方式利用量子领域的特殊性。