量子过程热力学：关于自由能与可逆无热力学的运算框架

我们通过对量子通道（quantum channels）引入自由能概念，以绝对热力学通道（其固定输出处于热力学平衡）为基准，通过量子相对熵来定义。该定义在指定的量子信息与热力学任务中得到了强有力的支持。我们构建了针对量子通道的 athermality 资源理论，其中自由操作为保持 Gibbs 分布的超通道，金色单位为相对于绝对热力学通道完全退化输出哈密顿量的单位通道。我们使用假设检验和 max-相对熵精确刻画了量子通道的一次性蒸馏与形成率，这些速率在渐进意义下收敛于通道自由能（乘以 1/2 逆温度的因子），从而确立了其操作意义并证明了 athermality 的渐进可逆性。我们展示了 athermality 资源理论与量子信息任务（如私有随机性与纯度蒸馏）以及热力学任务（如擦除与功提取）之间的直接关系。我们的工作将量子过程的自由能、能量、熵以及可提取最大功与其信息处理能力联系起来。