We consider a theory of quantum thermodynamics with multiple conserved quantities (or charges). To this end, we generalize the seminal results of Sparaciari et al. [PRA 96:052112, 2017] to the case of multiple, in general non-commuting charges, for which we formulate a resource theory of thermodynamics of asymptotically many non-interacting systems. To every state we associate the vector of its expected charge values and its entropy, forming the phase diagram of the system. Our fundamental result is the Asymptotic Equivalence Theorem (AET), which allows us to identify the equivalence classes of states under asymptotic approximately charge-conserving unitaries with the points of the phase diagram. Using the phase diagram of a system and its bath, we analyze the first and the second laws of thermodynamics. In particular, we show that to attain the second law, an asymptotically large bath is necessary. In the case that the bath is composed of several identical copies of the same elementary bath, we quantify exactly how large the bath has to be to permit a specified work transformation of a given system, in terms of the number of copies of the elementary bath systems per work system (bath rate). If the bath is relatively small, we show that the analysis requires an extended phase diagram exhibiting negative entropies. This corresponds to the purely quantum effect that at the end of the process, system and bath are entangled, thus permitting classically impossible transformations. For a large bath, system and bath may be left uncorrelated and we show that the optimal bath rate, as a function of how tightly the second law is attained, can be expressed in terms of the heat capacity of the bath. Our approach solves a problem from earlier investigations about how to store the different charges under optimal work extraction protocols in physically separate batteries.


翻译:我们把量子热力学理论与多节制数量(或电量)相提并论。为此,我们将Sparaciari等人[96:052112,2017年]等量热力学理论推广到多重(一般为非通融)电荷,为此,我们用一个系统及其浴室的阶段性图,分析许多非互换系统的热力学资源理论。对于每一个州,我们将其预期电荷值的矢量及其导体联系起来,形成系统的阶段图。我们的基本结果是AET(AET),这使我们得以将Sparaciari等人(PRA 96:052112,2017年)的基本结果推广到多重(PRA96:05:052112,2017年)的等量性结果推广到(Paracicialal)大约充电量的单位的等等同值。因此,我们利用一个系统的阶段性热力动力学,我们分析的第一阶段和第二个定律,我们展示的是第二层的电流体,一个最深层的洗方法是如何组成一些非正正式的, 我们精确地将一个浴的系统的电算,一个更深层的电算, 显示一个更深层的电算的电压的电路的电算法 显示一个比的电算法的电算的电算法 显示一个比的电算。

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