非马尔可夫库中的量子电池

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随着科学技术的发展,人们根据生产生活的需要,制造出了各式各样的电池为所需的设备提供电能。根据设备的不同,电池的型号由大到小也各有不同,比如太阳能电池、蓄电池、纽扣电池等。如果设备被设计的越来越小,那么电池也将不断的小型化。2013年,R.Alicki和M.Fannes首次提出了量子电池的概念,即一个小型量子系统用于临时存储从外部场转移的能量。它是一种可以存储能量或提取能量做功的量子器件。化学电池通过化学能转化为电能,但它们的操作在本质上是经典的。而量子电池因属于量子力学系统而具有量子效应,这使得量子电池比传统电池充电更快、效率更高,至少在原则上,相对于传统电池可以利用真正的量子效应获得其性能的改进。量子电池一般由一个依赖时间的辅助场进行充电控制或提取控制,电池的量子态满足幺正演化。但是,通常来说,一个量子系统不可避免地会与它周围的环境进行相互作用,从而经历退相干和耗散等过程,这时量子电池的量子态不再进行幺正演化,而这样的过程会对系统的量子相干和量子关联产生有害的影响。因此,在任何现实的量子电池建模中我们不仅要考虑到开放系统效应,还要考虑在开放系统中提高量子电池的性能。通常,人们在弱耦合的开放系统中采用马尔可夫近似方法。我们知道,当系统和库之间的耦合足够弱,库的特征时间比量子系统的弛豫时间足够短时,开放量子系统的马尔可夫近似是有效的。然而,实际上,系统与库的耦合一般不是很弱,我们应考虑非马尔可夫动力学,不能忽略非马尔可夫的记忆效应。因此,我们基于G.M.Andolina等人的具体模型(电池-充电器模型),研究了充电器-电池系统中的非马尔可夫效应对量子电池最大可提取功的影响,其中充电器分别与驱动场和非马尔可夫库耦合。结果表明,非马尔可夫库的记忆效应对提高量子电池的性能起着重要作用,这是因为非马尔可夫回流所产生的影响,而在马尔可夫近似中没有对应的回流。为了更好地理解所观察到的现象,我们导出了该充电器-电池系统的非马尔可夫主方程并且还研究了驱动强度、耦合强度、失谐对最大可提取功的影响。此外,我们发现与马尔可夫近似相比,非马尔可夫效应可以提高量子电池最大平均存储功率的峰值。
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