Resumen de Synchronization and collective phenomena in quantum dissipative systems
- español
lntroducción Las últimas dos décadas han sido testigo de un gran progreso experimental en cuanto a la habilidad de controlar e implementar sistemas complejos cuanticos. Ejemplos de dichos sistemas incluyen nubes de atomos atrapados en potenciales de luz, o en cavidades ópticas, sistemas optomecanicos, o conjuntos de qubits superconductores. Una de las motivaciones detras de esta empresa, es la promesa de nuevas tecnologías basadas en sistemas de muchas unidades que podrían sobrepasar las capacidades de las tecnologías actuales para la computación, telecomunicaciones, o para realizar medidas, haciendo uso de efectos cuanticos. Cabe mencionar también la simulación cuantica, donde estos sistemas experimentales precisos y controlables serían utilizados para estudiar fenómenos cuanticos fundamentales que no pueden ser estudiados de otra forma . Estos sistemas experimentales son sistemas cuanticos abiertos, ya que, inevitablemente, estan acoplados a un continuo de energía que induce disipación y decoherencia. Esta interacción es inherente a nuestra habilidad de observar y controlar estos sistemas, ya sea a t ravés de la radiación que emiten, o de la que nosotros les hacemos llegar. Ademas, esta puede constituir una limitación importante a la hora de aprovechar efectos cuanticos para aplicaciones tecnológicas. Por otra parte, la naturaleza disipativa y lejos del equilibrio termodinamico de algunos de estos sistemas ha supuesto una gran oportunidad para estudiar fenómenos cuanticos lejos del 1 equilibrio, de interés tanto fundamental como aplicado. Contenidos de la investigación Esta tesis esta enfocada al estudio de la sincronización y otros \Nww.uib.cat ♦ Universitat de les Illes Balears Servei de Biblioteca i Documentació fenómenos dinamicos colectivos en sistemas cuanticos disipativos. La sincronización es un fenómeno paradigmatico de los sistemas clasicos lejos del equilibrio, que ocurre en diferentes contextos y adquiere diferentes formas. Unos diez años atras, una serie de artículos mostró que fenómenos de sincronización podían ocurrir en sistemas cuanticos, dando paso al campo de la sincronización cuantica. En esta tesis, investigaremos preguntas como en qué sistemas cuanticos podemos observar este fenómeno, como se manifiesta cuanticamente, o si muestra características genuinamente cuanticas. Después de la introducción, la segunda parte de la tesis se centra en el fenómeno de la sincronización transitaria, donde la relajación de sistemas hacia su estada estacionaria ocurre de manera sincronizada. Enseñaremos que este es un fenómeno común y robusta, que ocurre en sistemas de espines, sistemas lineales de osciladores armónicos, tanto en presencia de disipación colectiva como independiente, y también en presencia de topologías complejas y sistemas inhomogéneos. Enseñaremos como este tipo de sincronización cuantica puede emerger en la física de bajas energías de un sistema de atomos en un potencial de luz unidimensional, e identificaremos los diferentes escenarios. Ademas, describiremos la sincronización debido a coalescencia o puntos excepcionales en sistemas extendidos, estudiando las características espectrales específicas, como resonancias estrechas, ventanas de transparencia y otros efectos debidos a interferencias. La tercera parte de esta tesis se centra en estudiar la relación entre la sincronización a una señal externa y otros fenómenos cuanticos lejos del equilibrio, considerando el caso particular del oscilador de van der Pol con squeezing. Enseñaremos que la sincronización de este sistema esta íntimamente relacionada con el fenómeno de la metaestabilidad cuantica. Ademas, a medida que el sistema se acerca al límite clasico, se dan fenómenos de rotura espontanea de simetría, y la sincronización resulta estar relacionada también con v,/\N',N. uib.cat ♦ Universitat de les Illes Balears Servei de Biblioteca i Documentació transiciones disipativas de fase y cristales temporales. De hecho, la ausencia de sincronización se corresponde a un cristal temporal continuo, mientra que la presencia de sincronización a uno discreta. Conclusión Finalmente presentaremos las conclusiones de esta tesis junto con posibles lineas de investigación futuras. Los resultados principales de esta tesis permiten identificar nuevos escenarios de sincronización cuantica y establecer sus conexiones con otros fenómenos fundamentales como la coalescencia, las transiciones de fase disipativas, o los cristales temporales.
- English
lntroduction The past two decades have witnessed huge experimental progress · on the ability to control and engineer the dynamics of complex quantum systems. Experimental platforms range from large atomic clouds trapped in optical lattices, to few atoms trapped near photonic nanostructures, optomechanical systems, or arrays of superconducting qubits. An important driving force behind this venture has been the promise of new quantum technologies based on extended systems for computation, telecommunications, and sensing that might surpass the performance and capabilities of , current ones by exploiting quantum effects. As well as the development of quantum simulation, in which highly-controllable . experimental systems are aimed to study fundamental quantum phenomena currently unaddressable by other means. All these experimental platforms are unavoidably open quantum systems: the system degrees of freedom are coupled to an environment made of a continuum of modes that induces dissipation V,/Wvv.uib.cat Universitat de les llles Balears Servei de Biblioteca i Documentació and decoherence. This coupling is inherent to our ability to observe these systems, e.g . by observing their emitted radiation, or to control them through it, and it is often an ultimate limit for quantum technologies. Still, the driven-dissipative nature of many platforms has provided a great opportunity to explore non-equilibrium dynamics in quantum systems, to study quantum phenomena that have no equilibrium counterpart, and to widen the spectrum of achievable dynamical phenomena of fundamental and applied interest. Research contents This thesis is devoted to the study of synchronization and related collective phenomena in dissipative quantum systems. Synchronization is a paradigmatic dynamical phenomenon of nonequilibrium classical systems, occurring in very different contexts and ferms. About ten years ago a series of seminal works showed different forms of synchronization occurring in quantum systems, which gave birth to quantum synchronization. Here, we have addressed questions as how this phenomenon manifests in the quantum regime, which are the systems in which it can emerge, or whether it displays genuine quantum features. After introducing the main topics of this thesis as well as the used methods and theoretical framework, in the second part of this thesis we focus on the phenomenon of spontaneous transient synchronization, in which systems relax towards their stationary state in a synchronized fashion . As we show, this is a common and robust phenomenon: it emerges in spin systems and even in linear systems of harmonic oscillators, both in the presence of collective and independent dissipation, and in the presence of complex topologies and inhomogeneous parameters. We propose a possible implementation of transient synchronization in the low-energy physics of a one-dimensional atomic lattice, a relevant system for - ------ ----------- \NW w.uib.cat ♦ Universitat de les Illes Balears Servei de Biblioteca i Documentació quantum simulation, and we identify different scenarios of synchronization. Furthermore, we establish synchronization enabled , by coalescence or exceptional points in different extended systems, and we characterize specific spectral features of synchronization as narrow subradiant resonances as well as transparency windows and other interference effects. In the third part, we address the relation of quantum entrainment with other driven-dissipative phenomena, considering the particular case of the squeezed quantum van der Pol oscillator. Our research shows that driven synchronization is related to quantum metastability. Moreover, as the classical limit is approached, spontaneous symmetry-breaking occurs, and entrainment turns out to be related to time-crystalline order and to a dissipative phase transition. lnterestingly, synchronization is here related to a discrete time-crystal, while the absence of it to a continuous one. Conclusion ' We conclude this thesis with final remarks and outlook. The main original results of this thesis allow us to identify new scenarios of synchronization, to establish its robustness, and to unveil its connections with other important and fundamental phenomena as coalescence, dissipative phase transitions or time-crystals.
- català
Introducció. Les passades dues dècades han viscut un gran progrés en l'habilitat experimental per a controlar i implementar sistemes complexes quàntics. Exemples d'aquestes plataformes experimentals són niguls atòmics atrapats en potencials de llum, o dins cavitats òptiques, sistemes optomecànics, o conjunts de qubits superconductors. Una de les motivacions darrera aquesta empresa, és la promesa de noves tecnologies quàntiques basades en sistemes fets de moltes ♦ Universitat de les Illes Balears Servei de Biblioteca i Documentació unitats que podrien sobrepassar les capacitats de les tecnologies actuals per a la computació, telecomunicacions, o per fer mesuraments, fent us d'efectes quàntics. Cal mencionar també la simulació quàntica, on aquests sistemes experimentals precisos i controlables serien utilitzats per a estudiar fenòmens quàntics fonamentals que no poden esser estudiats d'altre manera. Aquests sistemes experimentals són sistemes quàntics oberts ja que, inevitablement, estan acoblats a algun continu d'energia que indueix dissipació i decoherència. Aquesta interacció és inherent a la nostra habilitat per observar i controlar aquests sistemes, ja sigui a través de la radiació que a emeten, o que nosaltres els fem arribar. A més, pot constituir una limitació important a l'hora d'aprofitar efectes quàntics per a aplicacions tecnològiques. Tot i així, la naturalesa dissipativa i lluny de l'equilibri termodinàmic d'alguns d'aquests sistemes ha suposat una gran oportunitat per a estudiar fenòmens quàntics lluny de l'equilibri, amb interès tant fonamental com aplicat. Contingut de la investigació. Aquesta tesis està enfocada a l'estudi de la sincronització i altres , fenòmens dinàmics col·lectius en sistemes quàntics dissipatius. La sincronització és un fenomen paradigmàtic dels sistemes clàssics fora de l'equilibri, que ocorr en diferents contexts i adoptant diferents formes. Uns deu anys enrere, una sèrie d'articles van mostrar que fenòmens de sincronització podien ocórrer també en sistemes quàntics, donant peu al camp de la sincronització quàntica. En aquesta tesis, investigarem preguntes com ara a quins sistemes quàntics podem observar aquest fenomen, com es manifesta quànticament, o si mostra característiques eminentment quàntiques. Després de la introducció, la segona part de la tesis es centra en el fenomen de la sincronització transitòria, on la relaxació de sistemes . cap al seu estat estacionari ocorr d'una manera sincronitzada. Tal v,1\,\1\h'. uib.cat ♦ Universitat de les Illes Balears Servei de Biblioteca i Documentació com mostrarem, aquest és un fenomen comú i robust, que ocorr en sistemes d'espins, sistemes lineals d'oscil·ladors harmònics, tant en presència de dissipació col·lectiva com independent, i també en presència de topologies complexes i sistemes inhomogenis. Mostrarem com aquest tipus de sincronització quàntica pot emergir en la física de baixes energies d'un sistema d'àtoms atrapats en un potencial de llum unidimensional, i n'identificarem diferents escenaris. A més, descriurem la sincronització deguda a la coalescència o punts excepcionals en sistemes estesos, estudiant-ne ' les característiques espectrals especifiques, com ressonàncies estretes, finestres de transparència i altres efectes deguts a interferències. La tercera part d'aquesta tesis es centra en estudiar la relació entre la sincronització a una senyal externa i altres fenòmens quàntics lluny de l'equilibri, considerant el cas particular de l'oscil·lador de van der Pol amb squeezing. La nostra investigació mostrarà que, de fet, la sincronització d'aquest sistema està íntimament relacionada al fenomen de la metaestabilitat quàntica. A més, a mesura que el sistema s'apropa al limit clàssic, es donen fenòmens de ruptura 1 espontània de simetria, i la sincronització resulta estar relacionada també amb transicions dissipatives de fase i cristalls temporals. De fet, l'absència de sincronització correspon a un cristall temporal continu, mentre que la sincronització a un cristall temporal discret. Conclusió. Finalment presentarem les conclusions d'aquesta tesis juntament amb possibles línies d'investigació futures. Els resultats principals d'aquesta tesis permeten identificar nous escenaris de sincronització quàntica i establir les seves connexions amb altres fenòmens fonamentals com la coalescència de modes col·lectius, les transicions de fase dissipatives, o els cristalls temporals.
