<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1569310</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2025.1569310</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Temperature-dependent pure state for the thermodynamic system and its heat reservoir</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Guo et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fphy.2025.1569310">10.3389/fphy.2025.1569310</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>Y. Q.</given-names>
</name>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>J. X.</given-names>
</name>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Mi</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2956928/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>D. F.</given-names>
</name>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff>
<institution>School of Science</institution>, <institution>Dalian Maritime University</institution>, <addr-line>Dalian</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/299785/overview">Xiangrong Wang</ext-link>, Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong SAR, China</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/123313/overview">Antonio S&#xe9;rgio Magalh&#xe3;es De Castro</ext-link>, Universidade Estadual de Ponta Grossa, Brazil</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1510467/overview">Giovanni Modanese</ext-link>, Free University of Bozen-Bolzano, Italy</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: D. Mi, <email>mid@dlmu.edu.cn</email>
</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>20</day>
<month>05</month>
<year>2025</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2025</year>
</pub-date>
<volume>13</volume>
<elocation-id>1569310</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>31</day>
<month>01</month>
<year>2025</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>21</day>
<month>04</month>
<year>2025</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2025 Guo, Zhang, Mi and Wang.</copyright-statement>
<copyright-year>2025</copyright-year>
<copyright-holder>Guo, Zhang, Mi and Wang</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Based on the quantum Liouville and Lindblad equations, a temperature-dependent pure state was constructed for the composite isolated system consisting of a thermodynamic system and its heat reservoir. The results demonstrate that the expectation value of this pure state coincides with the statistical average of the thermodynamic system&#x2019;s mixed state. Furthermore, the existence of this pure state is consistent with the eigenstate thermalization hypothesis. Additionally, the &#x201c;fictitious system&#x201d; introduced in thermo field dynamics can be naturally interpreted as the heat reservoir of the system, and this interpretation allows us to re-examine the relationship between the physical system and the so-called &#x201c;fictitious system.&#x201d;</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>composite isolated system</kwd>
<kwd>pure state</kwd>
<kwd>mixed state</kwd>
<kwd>expectation value</kwd>
<kwd>statistical average</kwd>
<kwd>thermo field dynamics</kwd>
</kwd-group>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Condensed Matter Physics</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>Finite-temperature field theory (FTFT), also known as thermal field theory, serves as the relativistic generalization of finite-temperature non-relativistic quantum statistical mechanics. It extends the methods of zero-temperature quantum field theory to finite-temperature conditions, providing a powerful framework for studying thermal phenomena in extreme regimes of temperature and density [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]. FTFT is typically categorized into two formalisms: the imaginary-time formalism, which exhibits a characteristic imaginary-time periodicity, and the real-time formalism, distinguished by its doubled degrees of freedom [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. The idea of doubled degrees of freedom has been applied in many areas, including quantum field theory for non-conservative systems [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>], quantum entanglement phenomena [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], holographic systems [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>], and the dynamics of driven many-body quantum systems at finite temperature [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>], among others. However, the physical interpretation of the doubled degrees of freedom has long been debated without reaching a broad consensus.</p>
<p>As a real-time formulation of finite-temperature quantum field theory, thermo field dynamics (TFD) enable the application of Feynman diagram techniques to real-time causal Green&#x2019;s functions at finite temperatures [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], thereby determining the thermodynamic properties of the system. Although numerous interpretations have been proposed regarding the physical meaning of the doubled degrees of freedom in TFD [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>], we argue that many of these explanations remain largely speculative, lacking grounding in fundamental physical principles.</p>
<p>In this work, we first briefly review the dynamics of isolated and open quantum systems. We emphasize that an isolated system governed by the quantum Liouville equation does not undergo global thermalization, whereas an open system obeying the Lindblad equation eventually thermalizes through interaction with a heat reservoir. Subsequently, we construct a temperature-dependent pure state for a composite isolated system comprising a thermodynamic system and its heat reservoir. The expectation value of this pure state aligns with the statistical average of the thermodynamic system&#x2019;s mixed state. Furthermore, we analyze the compatibility of this temperature-dependent pure state with the eigenstate thermalization hypothesis (ETH), propose a physical interpretation of the &#x201c;fictitious system&#x201d; in TFD, and clarify the historical ambiguity in its interpretation. Finally, we examine the structural features of the temperature-dependent pure state and explain why such characteristics are suitable for calculating thermodynamic quantities using methods in quantum field theory.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Construction of the temperature-dependent pure state</title>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Dynamics of an isolated quantum system</title>
<p>The state vector <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of an isolated system evolves according to the Schr<inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x308;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>dinger equation, or the corresponding density operator <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> obeys the quantum Liouville equation [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>].<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Hamiltonian of the system. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> holds a fundamental position in quantum mechanics and serves as the starting point for studying quantum master equations of open systems. The solution of the abovementioned equation is<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the initial density matrix. In the eigenstate basis of the Hamiltonian <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equation 2</xref> can be expressed as follows:<disp-formula id="equ1">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>where the coefficient <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the asterisk denotes complex conjugation, and <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the eigenvalue corresponding to eigenstate <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The average value of any observable <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> evolves as follows:<disp-formula id="equ2">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a matrix element of the observable <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the energy basis.</p>
<p>It is evident that a generic pure state cannot exhibit the thermal equilibrium behavior. The time-independent diagonal terms depend on the initial state&#x2019;s coefficients, while the off-diagonal terms exhibit harmonic time dependence that generally does not decay to 0. On the other hand, the thermodynamic entropy of a system (commonly referred to as Boltzmann or Gibbs entropy in statistical physics) vanishes for a pure state but is positive for a mixed state. From the perspective of quantum mechanics, all thermodynamic systems&#x2014;including so-called isolated systems&#x2014;are effectively open and must be described by mixed states, thus possessing positive thermodynamic entropy [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>]. However, an isolated quantum system undergoing unitary evolution remains in a time-dependent pure state, implying that its global thermodynamic entropy is rigorously 0. This observation reinforces the conclusion that a genuinely isolated system cannot thermalize globally. Nevertheless, as discussed in <xref ref-type="sec" rid="s3-1">Section 3.1</xref>, a subsystem of such an isolated system can undergo thermalization by treating the remainder as an effective heat reservoir at fixed energy [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Dynamics of an open quantum system</title>
<p>When an isolated system interacts with an external environment, it becomes an open system. Due to the entanglement between the system and its environment, the system&#x2019;s evolution becomes non-unitary, and its dynamics are governed by the quantum master equation. The combined system&#x2013;environment pair <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> forms a composite isolated system, with <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> itself acting as a subsystem of <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The total Hamiltonian <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed as follows:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>where &#x201c;<inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x201d; represents the direct product; <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the Hamiltonians of <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively; <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the interaction between <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; and <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the identity operators in the Hilbert spaces of <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively.</p>
<p>Let <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> be an observable referring to <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; it should be expressed as <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when considering <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a subsystem of <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Let <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> be the density matrices of <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at time <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. Then, physical consistency requires that measurement averages be the same whether computed via <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>,<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="equ3">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>is also known as the reduced density matrix of <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the trace over the Hilbert space of <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the partial trace over the degrees of freedom of <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The time evolution of the reduced density matrix <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is derived by taking the partial trace over the degrees of freedom of <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on both sides of the quantum Liouville equation as follows:<disp-formula id="equ4">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf747">
<mml:math id="m754">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Equation 3</xref>. Starting from the abovementioned equation, the quantum master equation in Lindblad form&#x2014;a first-order linear differential equation for the reduced density matrix&#x2014;can be derived under the weak-coupling limit, Born approximation, Markov approximation, and rotating wave approximation [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>].<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x210f;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the dissipator, which describes the possible transitions, dissipations, and decoherence of the system due to the interaction between the system and the environment.</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 Thermalization of an open system coupled to a heat reservoir</title>
<p>Assume that the environment is in a stationary state; then, <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is invariant under the reservoir dynamics. Furthermore, if the environment is in thermal equilibrium with inverse temperature <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the Lindblad equation predicts that the density of the matrix of the canonical ensemble,<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>is a stationary solution of the quantum master (<xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Equation 5</xref>) [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>]. This means that regardless of the initial state, <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> will asymptotically approach thermodynamic equilibrium after interacting with <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Equation 6</xref> can also be directly derived from traditional statistical physics: any smaller system coupled to a large thermal reservoir will eventually thermalize, and its density matrix adopts the canonical ensemble form. In this study, we present the density matrix in this way to demonstrate how the temperature-dependent pure state for a composite isolated system consisting of a thermodynamic system and its heat reservoir can be constructed from first principles.</p>
<p>The abovementioned discussion indicates that the thermal equilibrium density matrix of <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> commutes with the Hamiltonian, indicating that they share common eigenstates. Consequently, the equilibrium density matrix of <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is diagonal in the energy eigenbasis,<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>is the probability that the system is in the energy eigenstate <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is referred to as the partition function [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s2-4">
<title>2.4 Constructing a temperature-dependent pure state for the composite isolated system</title>
<p>According to the quantum Liouville equation, the composite isolated system <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is always in a pure state. Let <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> be any fixed orthonormal bases for <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively; then, a pure state of <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at any time can be expanded as follows [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>]:<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>where the coefficient <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>As established earlier, in the long-time limit, <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a subsystem will thermalize such that its density matrix and Hamiltonian commute with each other and, hence, share common eigenstates. Consequently, the eigenstates of the density matrix appearing in the Schmidt decomposition are also the eigenstates of the Hamiltonian. As we shall demonstrate, this property extends to <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Let <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> correspond to the Hamiltonian eigenstate <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; this allows us to express <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 9</xref> in the form of Schmidt decomposition [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>]:<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is calculated using <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 8</xref>, and <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is defined as follows:<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>It can be proven that the set <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of vectors with index <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is orthonormal,<disp-formula id="equ17">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>and it is the set of eigenstates of the following reduced density matrix for <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>,<disp-formula id="equ5">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>It should be emphasized that if <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is not the eigenstate basis of the Hamiltonian and density matrix of <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the basis introduced in <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Equation 11</xref> may not be necessarily orthonormal or even not orthogonal in general [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>].</p>
<p>Since the temperature parameter <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> appears on the right side of <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref>, <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is now a pure state with temperature. Denoting <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref> can be rewritten as follows:<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The corresponding density matrix of the temperature-dependent pure state <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is<disp-formula id="equ6">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>It is easy to check that the reduced density of <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is<disp-formula id="equ7">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close="">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>As shown in <xref ref-type="sec" rid="s2-2">Section 2.2</xref>, for an observable <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, it should be expressed as <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when considering <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a subsystem of <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. According to <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Equation 4</xref>, the expectation value of the pure state of <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> coincides with the statistical average of a mixed state of <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>,<disp-formula id="equ8">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>In the energy representation, <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is obtained using <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Equation 7</xref>. Omitting the identity operator <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the subscript &#x201c;<inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>,&#x201d; we finally obtain<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In this way, a question in quantum field theory realized through a temperature-dependent pure state and a question in statistical mechanics concerning a subsystem in thermal equilibrium can be converted into each other.</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="discussion" id="s3">
<title>3 Discussion</title>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Heat reservoir as a subsystem in a composite isolated system</title>
<p>As demonstrated in <xref ref-type="sec" rid="s2-3">Section 2.3</xref>, a system interacting with a heat reservoir will undergo thermalization in the long-time limit. However, this framework requires the heat reservoir to be predefined as part of a composite isolated system. It seems that this prior assumption introduces limitations in constructing <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from the first principles.</p>
<p>Recent studies, however, demonstrate that for an isolated system satisfying the ETH, its subsystem can indeed thermalize [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>]. The ETH serves as the primary conceptual framework for understanding how quantum mechanics leads to thermalization. According to the ETH, each eigenstate of the Hamiltonian of the composite system <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> always implicitly contains a thermal state; consequently, the reduced density matrix of such an eigenstate becomes indistinguishable from a canonical ensemble density matrix [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>]. This yields the following relation:<disp-formula id="equ9">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>and the temperature parameter <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is determined using the following constraint:<disp-formula id="equ10">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the eigenvalue corresponding to the eigenstate <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> Hamiltonian. This implies that under unitary evolution of the full system, a subsystem can exhibit thermal behavior when its complement acts as an effective heat reservoir&#x2014;a key assumption in <xref ref-type="sec" rid="s2-3">Section 2.3</xref>. Notably, the ETH has not only been theoretically predicted but also experimentally verified [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>].</p>
<p>The microscopic origin of temperature might still be considered an open question. Although the ETH has been widely validated as a sufficient condition for thermalization in many finite-sized systems through numerical simulations [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], it has not been universally proven to be a necessary condition. Due to the presence of local conserved quantities that prevent thermalization, there exist systems that do not thermalize at all, such as integrable systems or many-body localized states [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Physical interpretation of the &#x201c;fictitious system&#x201d; in TFD</title>
<p>As shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref>, the eigenstates <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> appear as a pair in <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Consequently, when calculating thermodynamic quantities using the expectation value method, the degrees of freedom must be doubled compared to those in the statistical ensemble approach. Takahashi et al. termed <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the &#x201c;thermal vacuum state&#x201d; and designated the tilde system as the &#x201c;fictitious system&#x201d; [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>]. They further interpreted particles in the fictitious system as &#x201c;holes.&#x201d; Other scholars have proposed alternative interpretations, such as the &#x201c;mirror of the real world&#x201d; [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], &#x201c;complement to the dissipating system&#x201d; [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], and &#x201c;thermal ghost&#x201d; [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>].</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref> serves as the foundational starting point of TFD. Notably, in TFD, the density matrix <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is assumed <italic>a priori</italic>, whereas the pure state <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> must be explicitly constructed. This construction corresponds to the purification of the thermodynamic system&#x2019;s mixed state. However, purification is often viewed as a mathematical procedure with the auxiliary reference system (the fictitious system) lacking direct physical significance [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>]. It can be shown that there exist different pure states satisfying the given condition, all are related to one another by unitary transformations. Thus, for the sole purpose of computing thermodynamic quantities, the &#x201c;fictitious system&#x201d; in TFD requires no physical interpretation. However, diverse interpretations remain possible precisely because none affect computational outcomes, leading to the current plurality of explanations.</p>
<p>If <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is determined as discussed in <xref ref-type="sec" rid="s2-4">Section 2.4</xref>, the reduced density matrix <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> becomes uniquely defined. The tilde system representing the heat reservoir in this framework directly corresponds to the &#x201c;fictitious system&#x201d; in TFD. Therefore, assigning a physical interpretation to the &#x201c;fictitious system&#x201d; is most logically consistent when identifying it as the system&#x2019;s heat reservoir. This perspective elevates the purification of the mixed state beyond a mere mathematical tool, endowing it with physical meaning.</p>
<p>This reinterpretation of the &#x201c;fictitious system&#x201d; may prompt a re-examination of previously controversial or even meaningless questions. For instance, Takahashi et al. argued that a &#x201c;one particle state&#x201d; is built up from the thermal equilibrium state either by adding a particle to the physical system or eliminating a particle from the &#x201c;fictitious system,&#x201d; thereby interpreting a particle in the &#x201c;fictitious system&#x201d; as a &#x201c;hole&#x201d; of a physical particle. In our framework, however, this corresponds to the physical equivalence between annihilating a particle in the heat reservoir and creating a particle in the system.</p>
<p>As a further example, we can now analyze the quantum entanglement between the physical system and the so-called &#x201c;fictitious system&#x201d;&#x2014;a question previously devoid of physical significance. The Schmidt number for the state <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is greater than one, which indicates that <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is necessarily an entangled state. The quantity that measures the quantum entanglement between two subsystems in a composite isolated system is the entanglement entropy. Usually, the entanglement entropy is defined as the von Neumann entropy corresponding to any reduced density matrix of the composite isolated system [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>]. For instance, for a free particle of mass <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in a cube with a side length of <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at temperature <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the entanglement entropy between the particle and its heat reservoir is given by<disp-formula id="equ11">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="array">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Equation 7</xref> with the partition function <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>It is essential to clarify that for a composite isolated system consisting of two subsystems in thermal equilibrium, the vanishing thermodynamic entropy of the global pure state does not contradict the non-zero thermodynamic entropy of its subsystems. This arises because while the quantum information is preserved, it becomes hidden locally throughout the system and is only accessible through measurements of global observables that do not thermalize [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>3.3 Characteristics of the component state in the temperature-dependent pure state</title>
<p>As an entangled state, <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is represented as a linear superposition of the direct product states <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1,2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The common eigenstate <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the density matrix and Hamiltonian of <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> appear as one component state in every product state, while the common eigenstate <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the density matrix and Hamiltonian of <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> appear as the other component state. Crucially, the component state is also the eigenstate of any mechanical operator that commutes with both the density operator and the Hamiltonian. Specifically, if the particle number operator satisfies this commutation property, the component state within the direct product state is also the eigenstate of the particle number operator. This structure allows <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to be dealt with directly using the methods and techniques of quantum field theory since the particle number operator and its eigenstates play a fundamental role in the usual quantum field theory.</p>
<p>To illustrate the construction of such a state, consider a system of free bosons. Since the Hamiltonian commutes with the particle number operator, the density operator, Hamiltonian, and particle number operator share common eigenstates. Let <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denote the creation and annihilation operators for a free boson with energy <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively; the orthonormal basis vectors of the Fock space are then expressed as follows:<disp-formula id="equ12">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1,2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>and the corresponding eigenvalues of the particle number operator, density operator, and Hamiltonian are <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1,2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively.</p>
<p>On introducing the eigenstates of the particle number operator of <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, characterized by a tilde, <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be constructed as follows:<disp-formula id="equ13">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Note that the identity operator in the Hilbert spaces of <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mstyle>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the average particle number is obtained as follows:<disp-formula id="equ14">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ15">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x232a;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ16">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>which is the well-known Bose distribution.</p>
<p>It is important to note that for analytically solvable problems, the pure-state expectation value method does not inherently simplify thermodynamic calculations. However, for systems requiring approximate treatments, this formulation provides novel perspectives and techniques for studying finite-temperature phenomena through quantum field theory [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>].</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s4">
<title>4 Conclusion</title>
<p>In this work, we construct a temperature-dependent pure state for the composite isolated system, comprising a thermodynamic system and its heat reservoir, grounded in the foundational principles of quantum mechanics. Our analysis demonstrates that this pure state aligns with the ETH. Specifically, the common eigenstates of a complete set of observables for the thermodynamic system&#x2014;including the density matrix and Hamiltonian&#x2014;appear in every product state of this pure state, and the same is true for analogous eigenstates of the heat reservoir. Notably, when the particle number operator commutes with the Hamiltonian, the component states within each product state of this temperature-dependent pure state correspond to Fock space basis vectors. This structure can significantly facilitate the calculation of thermodynamic quantities through the perturbative techniques in quantum field theory.</p>
<p>Based on the construction of the temperature-dependent pure state, we propose a physical interpretation of the &#x201c;fictitious system&#x201d; in TFD, identifying it as the heat reservoir coupled to the physical system. In an alternative real-time formalism of FTFT, the time-path method, the thermal Green&#x2019;s function adopts a <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> matrix structure. This doubling of the degrees of freedom originates from the forward and backward branches of the closed time path [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>]. Since the doubled degrees of freedom introduced by the backward time path encode the statistical influence of the environment on the system and given the physical equivalence between the time-path method and TFD in stationary situations [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>], we argue that these degrees of freedom should also be intrinsically linked to the heat reservoir. Should rigorous analysis confirm that these mathematically introduced doubled degrees of freedom can also correspond to the system&#x2019;s heat reservoir, the physical significance of the doubled degrees of freedom in both real-time formalisms (TFD and time-path) would achieve unified interpretation. Such unification would enable us to systematically explore the relationship between the physical system and the so-called &#x201c;fictitious system,&#x201d; which may not exist or be meaningless in earlier formulations of real-time finite-temperature field theory.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s5">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/supplementary material; further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s6">
<title>Author contributions</title>
<p>YG: writing &#x2013; original draft. JZ: writing &#x2013; original draft. DM: methodology and writing &#x2013; review and editing. DW: writing &#x2013; original draft.</p>
</sec>
<sec sec-type="funding-information" id="s7">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that financial support was received for the research and/or publication of this article. This work was supported by the Discipline Development Fund of Dalian Maritime University (Grant No. 36330626).</p>
</sec>
<ack>
<p>The authors would like to express their gratitude to Prof. Wu Biao for the valuable discussions, opinions, and suggestions.</p>
</ack>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="ai-statement" id="s9">
<title>Generative AI statement</title>
<p>The author(s) declare that no Generative AI was used in the creation of this manuscript.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s10">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kapusta</surname>
<given-names>JI</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gale</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Finite-temperature field theory: principles and applications</source>. <edition>2nd ed</edition>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>2023</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Landsman</surname>
<given-names>NP</given-names>
</name>
<name>
<surname>van Weert</surname>
<given-names>CG</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Real- and imaginary-time field theory at finite temperature and density</article-title>. <source>Phys Rep</source> (<year>1987</year>) <volume>145</volume>:<fpage>141</fpage>&#x2013;<lpage>249</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0370-1573(87)90121-9</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kuwahara</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nakamura</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yamanaka</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>From classical mechanics with doubled degrees of freedom to quantum field theory for nonconservative systems</article-title>. <source>Phys Lett A</source> (<year>2013</year>) <volume>377</volume>:<fpage>3102</fpage>&#x2013;<lpage>5</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physleta.2013.10.001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hashizume</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Suzuki</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Understanding quantum entanglement by thermo field dynamics</article-title>. <source>Physica A</source> (<year>2013</year>) <volume>392</volume>:<fpage>3518</fpage>&#x2013;<lpage>30</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physa.2013.04.022</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Morrison</surname>
<given-names>IA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roberts</surname>
<given-names>MM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Mutual information between thermo-field doubles and disconnected holographic boundaries</article-title>. <source>J High Energ Phys</source> (<year>2013</year>) <volume>2013</volume>:<fpage>81</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/JHEP07(2013)081</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gelin</surname>
<given-names>MF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Borrelli</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermal schr&#xf6;dinger equation: efficient tool for simulation of many&#x2010;body quantum dynamics at finite temperature</article-title>. <source>Ann Phys</source> (<year>2017</year>) <volume>529</volume>:<fpage>1700200</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/andp.201700200</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Takahashi</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Umezawa</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermo field dynamics</article-title>. <source>Int J Mod Phys B</source> (<year>1996</year>) <volume>10</volume>: <fpage>1755</fpage>&#x2013;<lpage>1805</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0217979296000817</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gui</surname>
<given-names>YX</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>
<italic>&#x3b7;-&#x3be;</italic> spacetime and thermo fields</article-title>. <source>Phys Rev D</source> (<year>1992</year>) <volume>46</volume>:<fpage>1869</fpage>&#x2013;<lpage>72</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.46.1869</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mi</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Song</surname>
<given-names>HS</given-names>
</name>
<name>
<surname>An</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A physical explanation for the tilde system in thermo field dynamics</article-title>. <source>Mod Phys Lett A</source> (<year>2001</year>) <volume>16</volume>:<fpage>655</fpage>&#x2013;<lpage>61</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0217732301003607</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Alfinito</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vitiello</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Double universe and the arrow of time</article-title>. <source>J Phys Conf Ser</source> (<year>2007</year>) <volume>67</volume>:<fpage>012010</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-6596/67/1/012010</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lundberg</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pasechnik</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermal field theory in real-time formalism: concepts and applications for particle decays</article-title>. <source>J Phys Conf Ser</source> (<year>2021</year>) <volume>57</volume>:<fpage>71</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epja/s10050-020-00288-5</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Toda</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kubo</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Saito</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Statistical physics I</source>. <edition>2nd ed</edition>. <publisher-loc>Heidelberg</publisher-loc>: <publisher-name>Springer-Verlag</publisher-name> (<year>1995</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>KS</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Statistical mechanics</source>. <edition>2nd ed</edition>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>John Wiley and Sons Inc</publisher-name> (<year>1987</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>D&#x2019;Alessio</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kafri</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Polkovnikov</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rigol</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>From quantum chaos and eigenstate thermalization to statistical mechanics and thermodynamics</article-title>. <source>Adv Phys</source> (<year>2016</year>) <volume>65</volume>:<fpage>239</fpage>&#x2013;<lpage>362</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/00018732.2016.1198134</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Breuer</surname>
<given-names>HP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Petruccione</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <source>The theory of open quantum systems</source>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Oxford University Press</publisher-name> (<year>2002</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pathria</surname>
<given-names>RK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beale</surname>
<given-names>PD</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Statistical mechanics</source>. <edition>4th ed</edition>. <publisher-loc>London</publisher-loc>: <publisher-name>Elsevier Press</publisher-name> (<year>2022</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nielsen</surname>
<given-names>MA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chuang</surname>
<given-names>IL</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Quantum computation and quantum information</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>2010</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Everett&#x2019;s theory of the universal wave function</article-title>. <source>Eur Phys J H</source> (<year>2021</year>) <volume>46</volume>:<fpage>7</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjh/s13129-021-00001-0</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Deutsch</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantum statistical mechanics in a closed system</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1991</year>) <volume>43</volume>:<fpage>2046</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.43.2046</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Srednicki</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Chaos and quantum thermalization</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1994</year>) <volume>50</volume>:<fpage>888</fpage>&#x2013;<lpage>901</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.50.888</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rigol</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dunjko</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Olshanii</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermalization and its mechanism for generic isolated quantum systems</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2008</year>) <volume>452</volume>:<fpage>854</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature06838</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rigol</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Srednicki</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Alternatives to eigenstate thermalization</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2012</year>) <volume>108</volume>:<fpage>110601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.108.110601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nandkishore</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huse</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Many-body localization and thermalization in quantum statistical mechanics</article-title>. <source>Annu Rev Condens Matter Phys</source> (<year>2015</year>) <volume>6</volume>:<fpage>15</fpage>&#x2013;<lpage>38</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev-conmatphys-031214-014726</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kaufman</surname>
<given-names>AM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tai</surname>
<given-names>ME</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lukin</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rispoli</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schittko</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Preiss</surname>
<given-names>PM</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Quantum thermalization through entanglement in an isolated many-body system</article-title>. <source>Science</source> (<year>2016</year>) <volume>353</volume>:<fpage>794</fpage>&#x2013;<lpage>800</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.aaf6725</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Abanin</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Altman</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bloch</surname>
<given-names>I</given-names>
</name>
<name>
<surname>Serbyn</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>
<italic>Colloquium</italic>: many-body localization, thermalization, and entanglement</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source> (<year>2019</year>) <volume>91</volume>:<fpage>021001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/RevModPhys.91.021001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Deutsch</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Eigenstate thermalization hypothesis</article-title>. <source>Rep Prog Phys</source> (<year>2018</year>) <volume>81</volume>:<fpage>082001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1361-6633/aac9f1</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Niemi</surname>
<given-names>AJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Semenoff</surname>
<given-names>GW</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Finite-temperature quantum field theory in minkowski space</article-title>. <source>Ann Phys</source> (<year>1984</year>) <volume>152</volume>:<fpage>105</fpage>&#x2013;<lpage>29</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0003-4916(84)90082-4</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chu</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Umezawa</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A unified formalism of thermal quantum field theory</article-title>. <source>Int J Mod Phys A</source> (<year>1994</year>) <volume>09</volume>:<fpage>2363</fpage>&#x2013;<lpage>409</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0217751X94000960</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>