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2018 年度 実績報告書

熱機関のパワーと効率の相補性の研究

研究課題

研究課題/領域番号 17J00393
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

白石 直人  慶應義塾大学, 理工学部, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2017-04-26 – 2020-03-31
キーワード非平衡統計力学 / ゆらぐ系の熱力学 / 有限時間熱力学 / 量子速度限界 / 熱機関 / 量子制御 / 確率過程
研究実績の概要

研究1年目に想定以上の速さでの研究の進展があったため、2年目には得られている結果をより体系的にまとめ直すと同時に、「速度限界」の問題との関係性をより深く理解するための研究を行った。まず、ここまでに得られていた熱機関の効率とスピードに関する結果を整理し、特に不等式に出てきた量に対する物理的な意味を考察した。その結果、まずLangevin系においては、この係数は運動量期待値という物理的に明確な意味を持つ量に比例することが分かった。さらに、平衡近傍の線形応答領域の系においては、この係数は熱伝導度と一致するとともに、得られていた効率とスピードのトレードオフは、線形応答領域では等号達成するタイトな不等式であることが分かった。この結果は、得られた不等式が強いバウンドであることを示すと同時に、係数は「熱流のゆらぎ」のような物理的な意味を持つ量であることを示唆するものである。また同時に、この係数に対する上からの不等式評価も得られ、「有限パワーではカルノー効率は達成できない」という禁止定理をより明確に示す結果となった。
もう一つの、「量子速度限界」との関係性についても、マルコフ過程の場合の効率とスピードのトレードオフ不等式の手法を応用し、古典マルコフ過程で記述される系に対する速度限界を導出した。また、この結果は古典マルコフ過程に対するものだったが、量子マルコフ過程に対しても同様の不等式を得ることが出来た。
研究計画3年目で行う予定だった、熱機関の操作者のゆらぎの影響についても、量子系の操作精度と操作者自身のエネルギーゆらぎに対するトレードオフ不等式を得ることに成功した。これは微小な量子系の制御における新たな原理限界を示すものである。
これらとともに、マクロ系の熱平衡化の微視的基礎に関する研究も行い、様々な結果を得ることに成功している。

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Fundamental relation between entropy production and heat current2019

    • 著者名/発表者名
      Naoto Shiraishi and Keiji Saito,
    • 雑誌名

      J. Stat. Phys

      巻: 174 ページ: 433

    • DOI

      https://doi.org/10.1007/s10955-018-2180-0

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Speed limit for open quantum systems2019

    • 著者名/発表者名
      Ken Funo, Naoto Shiraishi, and Keiji Saito
    • 雑誌名

      New J. Phys.

      巻: 21 ページ: 013006

    • DOI

      https://doi.org/10.1088/1367-2630/aaf9f5

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analytic model of thermalization: Quantum emulation of classical cellular automata2018

    • 著者名/発表者名
      Naoto Shiraishi
    • 雑誌名

      Phys. Rev. E

      巻: 97 ページ: 062144

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevE.97.062144

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Shiraishi and Mori Reply2018

    • 著者名/発表者名
      Naoto Shiraishi and Takashi Mori
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett.

      巻: 121 ページ: 038902

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.038902

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Speed Limit for Classical Stochastic Processes2018

    • 著者名/発表者名
      Naoto Shiraishi, Ken Funo, and Keiji Saito
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett.

      巻: 121 ページ: 070601

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.070601

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Uncertainty relations in implementation of unitary control2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroyasu Tajima, Naoto Shiraishi, and Keiji Saito,
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett.

      巻: 121 ページ: 110403

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.110403

    • 査読あり
  • [学会発表] 量子純粋状態の熱平衡化のシナリオを巡って2018

    • 著者名/発表者名
      白石直人
    • 学会等名
      量子情報・物性の新展開
  • [学会発表] 熱力学的系におけるスピードの原理限界2018

    • 著者名/発表者名
      白石直人
    • 学会等名
      基研研究会・iTHEMS研究会 2018 非平衡系の物理学-階層性と普遍性-
    • 招待講演
  • [学会発表] Entropy production provides universal bound on speed of operation2018

    • 著者名/発表者名
      Naoto Shiraishi
    • 学会等名
      Stochastic Thermodynamics: Experiment and Theory
    • 国際学会

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公開日: 2019-12-27  

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