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Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
FÍSICA (33144010001P7)
Investigações Experimentais sobre Flutuações, Incertezas e Limites em Termodinâmica Quântica
CARLOS HENRIQUE DA SILVA VIEIRA
TESE
15/12/2023

Estamos presenciando o desenvolvimento acelerado da era que convencionou-se chamar de NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum Technologies), na qual computadores quânticos, sistemas de comunicação quântica e sensores quânticos começam a ser comercializados e atraem grandes investimentos governamentais e corporativos. Por outro lado, a termodinâmica estabelece limites fundamentais aos regimes de operação e trocas energéticas em diferentes tecnologias, incluindo tecnologias quânticas emergentes. Neste último caso, dinâmicas de não equilíbrio, flutuações de energia e aleatoriedade estão presentes e desempenham um papel fundamental. A área de pesquisa que tem se debruçado sobre estes temas tem sido chamada de Termodinâmica Quântica. Técnicas modernas de manipulação de sistemas quânticos nos permitem acessar experimentalmente estados microscópicos e sistemas individuais, explicitando o papel da teoria da informação em diferentes protocolos. Nesse contexto, por exemplo, é possível criar diferentes sabores de demônios de Maxwell no laboratório que de um ponto de vista moderno podem ser reconhecidos como mecanismos microscópicos de controle e feedback/feedfoward. Também é possível explorar coerência quântica e correlações não clássicas para realizar processos/protocolos termodinâmicos quânticos que seriam impossíveis no cenário clássico (relacionados à chamada vantagem quântica). A necessidade de avanços em nossa compreensão a respeito de Termodinâmica Quântica tem sido reconhecida como um passo importante para o aprimoramento de tecnologias quânticas emergentes e eventual entendimento de seus limites. Em sistemas quânticos pequenos fora do equilíbrio, quantidades como trabalho, calor e produção entropia adquirem um caráter estocástico e estão associadas à distribuições de probabilidades regidas por teoremas ou relações de flutuação. Nesta tese, apresentamos algumas iii contribuições experimentais originais para a área de termodinâmica quântica empregando qubits de spins em ressonância magnética nuclear (RMN). A primeira contribuição, concentra-se na verificação de teoremas de flutuação detalhados em um cenário quântico que possui um processo de controle e feedback. Apesar de existirem estudos teóricos a respeito destas relações, no melhor de nosso conhecimento, nosso trabalho representa a primeira verificação experimental de tais relações no regime quântico. A segunda contribuição, concentra-se em testar experimentalmente a robustez de um conjunto de desigualdades, que estabelecem conexões entre as flutuações de quantidades termodinâmicas e produção de entropia durante um dado protocolo, conhecidas como relações de incerteza termodinâmicas (TURs). Nesse caso consideramos novamente um processo envolvendo controle e feedback. Por fim, apresentamos uma investigação experimental a respeito do teorema do calor de Nernst, relacionado à uma formulação da terceira lei e aos limites impostos pela termodinâmica para inicialização de um dispositivo quântico no seu estado fundamental. Argumentamos que consequências oriundas dos limites impostos pela terceira lei devem ter impacto substancial no desenvolvimento de novas tecnologias quânticas e precisam ser endereçadas em investigações futuras. Esperamos que os resultados desenvolvidos nessa tese contribuam para o avanço e compreensão a respeito de flutuações de energia e limites impostos pela descrição termodinâmica de sistemas no regime quântico.

Termodinâmica Quântica;Teoremas de Flutuação;Relações de Incerteza Termodinâmica;Terceira Lei da Termodinâmica;Ressonância Magnética Nuclear
Currently, we are witnessing the emergence and accelerated development of the era known as NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum Technologies), in which quantum computers, quantum communication systems, and quantum sensors begin to be commercialized and attract large governments and corporations. On the other hand, thermodynamics establishes fundamental limits to the operating regimes and energy exchanges in different technologies, including technologies emerging from quantum theory. In the latter case, nonequilibrium dynamics, energy fluctuations, and randomness are present and play a fundamental role. The area of research that has focused on these topics from both a theoretical and experimental point of view has been called Quantum Thermodynamics. Modern techniques for manipulating quantum systems allow us to experimentally access microscopic states and individual systems, explaining the role of information theory in different protocols, in addition to introducing new perspectives to experimental techniques and possible technological applications. In this context, for example, it is possible to create different flavors of Maxwell’s demons in the laboratory and explore the role of quantum coherence and non-classical correlations in carrying out processes that would be impossible in the classical scenario (related to the so-called quantum advantage). In small non-equilibrium quantum systems, quantities such as work, heat, and entropy production acquire a stochastic character and are associated with probability distributions governed by fluctuation theorems or relations. In this thesis, we present some original experimental contributions to the area of quantum thermodynamics using spin qubits in nuclear magnetic resonance (NMR). The first contribution focuses on verifying detailed fluctuation theorems in a quantum setting that has a control and feedback process. Although there v are theoretical studies regarding these relationships, to the best of our knowledge, our work represents the first experimental verification of such relationships in the quantum regime. The second contribution focuses on experimentally testing the robustness of a set of inequalities, which establish connections between the fluctuations of thermodynamic quantities and entropy production during a given protocol, known as thermodynamic uncertainty relations (TURs). In this case, we consider again a process involving control and feedback. Finally, we present an experimental investigation regarding Nernst’s heat theorem, related to a formulation of the third law and the limits imposed by thermodynamics for initializing a quantum device in its fundamental state. We argue that consequences arising from the limits imposed by the third law should have a substantial impact on the development of new quantum technologies and need to be addressed in future investigations. We hope that the results developed in this thesis add some contribution to advance our understanding of energy fluctuations and limits imposed by the thermodynamic description of systems in the quantum regime.
Quantum Thermodynamics;Fluctuation Theorems;Thermodynamic Uncertainty Relations;Third Law of Thermodynamics;Nuclear Magnetic Resonance
1
261
PORTUGUES
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
O trabalho possui divulgação autorizada
FIS - CARLOS HENRIQUE DA SILVA VIEIRA.pdf

Contexto

FÍSICA
INFORMAÇÃO QUÂNTICA
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Banca Examinadora

ROBERTO MENEZES SERRA
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
THIAGO RODRIGUES DE OLIVEIRA Participante Externo
CAMILLE RAYMOND LOMBARD LATUNE Participante Externo
BRENO MARQUES GONCALVES TEIXEIRA Docente - PERMANENTE
ROBERTO SILVA SARTHOUR JUNIOR Participante Externo
ROBERTO MENEZES SERRA Docente - PERMANENTE
SERGIO RICARDO MUNIZ Participante Externo

Financiadores

Financiador - Programa Fomento Número de Meses
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC - Pró reitoria de Pós Graduação 4
FUND COORD DE APERFEICOAMENTO DE PESSOAL DE NIVEL SUP - Programa de Demanda Social 47

Vínculo

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Sim
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