Quantum metrology and thermometry in open systems: thermal equilibrium and beyond /

• Autores: Mohammad Mehboudi
• Directores de la Tesis: Anna Sanpera Trigueros (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2017
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Eric Lutz (presid.), Emili Bagán Capella (secret.), Lorenzo Maccone (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad Autónoma de Barcelona
• Materias:
  • Física
    • Termodinámica
    • Unidades y constantes
      • Metrología
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: DDD
• Resumen

  • Mi tesis trata sobre la metrología cuántica en sistema abiertos, con un es-pecial énfasis en la estimación de la temperatura en sistemas cuánticos, esdecir en el dominio de los sistemas microscópicos a temperaturas realmentemuy bajas. Con este propósito he estudiado dos regímenes muy distintos, sis-temas que se encuentran en equilibrio térmico y aquellos que no termalizen.En ambos casos, mi objetivo ha sido plantear y, cuando ha sido posible,responder cuestiones fundamentales sobre la metrología cuántica así comoanalizar las aplicaciones tecnológicas que se derivan de nuestras soluciones.Algunos ejemplos de estas preguntas son ¿Cuál es el mejor termómetro cuán-tico, es decir aquel que permite obtener la máxima precisión en la estimaciónde la temperatura ? ¿Es posible mejorar el límite anterior utilizando re-cursos tales como las correlaciones cuánticas o las fluctuaciones cuánticas?Durante mi tesis hemos respondido a las siguientes preguntas demostrandoque existe un termómetro cuántico óptimo dado por las leyes de la físicacuántica, y también como es posible utilizar recursos cuánticos cuando trata-mos sistemas de muchos cuerpos (many-body physics). Además, identifi-camos medidas experimentalmente viables que permite alcanzar estas cotas.Específicamente, nuestros resultados muestran que las correlaciones cuánti-cas colectivas pueden convertirse en observables óptimos para estimar conprecisión la temperatura. A su vez, estas correlaciones colectivas puedenmedirse a través de la espectroscopia cuántica de Faraday, que es una me-dida no destructiva (quantum non demolishing). Proponemos pues métodosque son factibles experimentalmente Fuera del equilibrio térmico, abordamossistemas estáticos y dinámicos. En el primer caso, observamos que a muybajas temperaturas, la precisión de la estimación puede mejorar significati-vamente si se manipula la interacción entre el termómetro cuántico (sonda)y el sistema cuántico cuya temperatura se quiere determinar. Nuestras ob-servaciones tienen repercusión en la escala nano, un régimen particularmenterelevante para tecnologías cuánticas. Desde un punto de vista más aplicado,tales protocolos fuera de equilibrio los estudiamos para estudiar máquinascuánticas térmicas. Analizamos máquinas térmicas cuya sonda es un sóloespín. Aunque un espín es una sonda muy pequeña, demostramos su efi-ciencia explorando bombas de calor cuánticas. Nuestras técnicas pueden seraplicadas en el campo emergente de la ingeniería térmica cuántica, ya quefacilitan el diagnóstico y la optimización del diseños de ciclos termodinámicoscomplejos. En referencia a los sistemas dinámicos, formulamos un eleganteteorema de fluctuación-disipación para sistemas fuera de equilibrio, cuyo usopermite identificar la mínima perturbación que afecta a un sistema cuántico.Sus aplicaciones son extensas y puede ser de gran utilidad para estimar, entre otras cosas, efectos derivados de pequeñas fuerzas cuánticas, como porejemplo, la detección de ondas gravitatorias.