迈向完全量子的热力学第二定律：量子相干演化的限制

热力学第二定律限制了系统可以演化到的状态。对于与热浴接触的系统，将其与能量守恒定律相结合可知，系统仅能在自由能降低时演化到另一状态。最近的研究表明，实际上存在许多第二定律，且仅对于大型宏观系统，它们才全部等价于普通的那一条。这些额外的第二定律也适用于量子系统，事实上在该机制下往往更为相关。它们限制了能级概率的演化方式。在此，我们考虑了对能级间相干性演化方式的额外限制。相干性只能减弱，我们提供了一组限制条件，限定了其得以维持的程度。我们发现，跨越能级的相干性必须以适当适应于能级间跃迁速率的速率衰减。我们表明，在单量子比特（qubit）情况下这些限制是匹配的，此时我们获得了态到态变换的完整刻画。对于更高维情形，我们推测存在更严格的约束。我们还引入了一类新的热力学操作，允许对相干性进行更大程度的操控，并研究了其相对于一类称为热操作（thermal operations）的操作的能力。