量子关联是量子体系区别于经典的重要特征之一, 如何量化与利用量子关联不仅是量子信息论中的核心问题, 也是量子热力学中比较关心的话题。对于经典体系来说, 能量总是自发从高温物体流向低温物体, 即封闭系统的熵只能增加或保持, 永远不会减少, 同时随着时间增加, 能量耗散增加, 但整个体系始终未表现出较强的关联性。在量子体系下, 子系统间往往存在关联, 在此情况下, 上述结论并不总是成立, 甚至由于整体熵值减小导致能量反向流动, 这种非经典的特性表明仅使用冯?诺依曼熵表征系统熵的变化是不完备的, 因此需要对经典热力学第二定律进行完善。基于该定律, 本文研究了在孤立体系下, 量子关联与能量、熵之间的关系, 表明子系统间的量子关联会导致能量反向流动或加速能量正向流动, 可以视为制冷或热加速过程, 初始时不同的关联决定了之后的能量流动情况, 两者高度相关。为了解释这种现象, 引入了相对熵等热力学参量来解释关联对量子系统热力学性质的影响, 结果表明, 当相干项不为零时, 表征系统关联的互信息总是随着演化先降低再增加, 因而导致了与经典不同的特性。基于以上现象, 提出了基于光学体系的实验方案, 用来验证理论的正确性。

在量子热力学的研究中,量子相干扮演着重要的角色。基于本课题组的研究结果,分别从热力学操作与增强热力学操作间的相干鸿沟猜想及关联催化相干放大猜想两个角度,讨论了能级之间的量子相干在热力学中的奇特行为。首先,通过研究单模热力学操作,进一步发掘了相干转化在划分量子热力学操作中的作用。其次,通过研究关联催化协变操作,发现关联催化在含有相干的量子热力学中存在尚未发掘的作用。研究结果对进一步完善量子热力学第二定律具有重要意义。