Consecuencias del efecto Casimir dinámico en la termodinámica y la información cuántica

• Autores: Del Grosso, Nicolás Francisco
• Año de publicación: 2023
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Lombardo, Fernando César; Villar, Paula Inés
• Materia: EFECTO CASIMIR DINAMICO; ATAJOS ADIABATICOS; MAQUINAS TERMICAS CUANTICAS; INFORMACION CUANTICA; TERMODINAMICA CUANTICA; CAVIDADES OPTOMECANICAS; CIRCUITOS SUPERCONDUCTORES; ADIABATIC SHORTCUTS; DYNAMICAL CASIMIR EFFECT; QUANTUM HEAT ENGINES; QUANTUM INFORMATION; QUANTUM THERMODYNAMICS; OPTOMECHANICAL CAVITIES; SUPERCONDUCTING CIRCUITS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

En esta tesis se estudia el efecto Casimir dinámico (DCE) y sus consecuencias en la termodinámica, almacenamiento y procesamiento de la información cuántica. Estos estudios han sido llevados a cabo en sistemas tanto de cavidades optomecánicas como electromagnéticas y con potenciales implementaciones en circuitos superconductores. El DCE surge cuando se modifican las condiciones de contorno de un campo cuántico de manera no-adiabática dando lugar a la generación de pares de fotones a partir del estado de vacío cuántico. La conexión estrecha entre el DCE con otros fenómenos de generación de partículas en teoría de campos como el efecto Unruh, la radiación de Hawking y el efecto Schwinger permite indagar sobre propiedades fundamentales de la teoría de campos, tales como la aparente pérdida de información entre distintos observadores. Por otro lado, la observación del DCE en circuitos superconductores, arquitectura por excelencia para la experimentación de tecnologías cuánticas actuales, permite considerar también la influencia de este efecto sobre nuevos dispositivos tecnológicos como compuertas para el procesamiento de información cuántica o máquinas térmicas. En primera instancia estudiamos un sistema optomecánico consistente de una cavidad óptica cuyo extremo consta de un espejo móvil sometido a un potencial cuadrático con ambos grados de libertad cuantizados. Esto permite estudiar el proceso de conversión de energía e información cuántica contenidos en los fonones de la pared en fotones dentro de la cavidad. En particular, estudiamos la dinámica y la eficiencia de este proceso para diferentes estados iniciales como los de tipo número, coherentes y térmicos. Presentamos un modelo sencillo que permite reproducir los resultados de forma aproximada y determinamos los estados más prometedores para maximizar la transferencia de energía. Seguidamente, estudiamos las consecuencias del efecto Casimir dinámico sobre la información cuántica relativista. Para ello consideramos dos observadores cada uno en posesión de una cavidad con un campo cuántico en su interior que comparten inicialmente un estado entrelazado de modos de ambas cavidades y estudiamos como se modifica el entrelazamiento observado a medida que uno de ellos se agita. Esto permite sacar conclusiones sobre la degradación del entrelazamiento de ambos observadores y su dependencia con el estado inicial, el espectro de la cavidad y el movimiento al que son sometidos. Para comprender el impacto del DCE, no sólo sobre la transferencia de energía sino sobre su conversión en trabajo, analizamos una máquina térmica paradigmática como es el caso de una cavidad con una pared móvil en cuyo interior se halla un campo cuántico que es sometido a un ciclo Otto. Identificamos la contribución nociva del efecto Casimir dinámico al trabajo extraído cuando es operado en tiempo finito, y estudiamos la eficiencia y potencia entregadas tanto cuando la máquina es operada como un motor térmico como cuando actúa como un refrigerador. Teniendo claro el impacto negativo del DCE sobre las máquinas térmicas cuánticas y con el objetivo de hacerlas más eficientes estudiamos la existencia de atajos adiabáticos en teoría cuántica de campos. Esto significa que mostramos la existencia y damos métodos prácticos para encontrar trayectorias de la pared móvil que no produzcan generación neta de fotones. Por último, luego de haber visto las consecuencias negativas del efecto Casimir dinámico, analizamos cómo aprovechar los fotones generados por excitación paramétrica en un sistema de circuitos superconductores para generar una compuerta de controlled-squeeze. Estudiamos la universalidad de ésta, así como la factibilidad de su implementación experimental.
In this thesis we study the dynamical Casimir effect (DCE) and its consequences on thermodynamics, as well as on processing and storage of quantum information. These studies have been carried out in systems of both optomechanical and electromagnetic cavities and with potential implementations in superconducting circuits. The DCE arises when the boundary conditions of a quantum field are modified in a non-adiabatic manner, leading to the generation of photon pairs out of the quantum vacuum state. The close connection between the DCE with other particle generation phenomena in field theory such as the Unruh effect, Hawking radiation and the Schwinger effect allows us to investigate fundamental properties of quantum field theory, such as the apparent loss of information between different observers. On the other hand, the observation of DCE in superconducting circuits, the architecture par excellence for current quantum experimentation, also allows us to consider the influence of this effect on new technological devices such as gates for processing quantum information or thermal machines. First, we study an optomechanical system consisting of an optical cavity whose end consists of a mobile mirror subjected to a quadratic potential with both degrees of freedom quantized. This allows us to study the process of converting energy and quantum information contained in the phonons on the wall into photons inside the cavity. In particular, we study the dynamics and efficiency of this process for different initial states such as number, coherent and thermal states. We present a simple model that allows the results to be reproduced approximately and we determine the most promising states to maximize energy transfer. Next, we study the consequences of the dynamical Casimir effect on relativistic quantum information. To do this, we consider two observers, each in possession of a cavity with a quantum field inside that initially share an entangled state of modes of both cavities, and we study how the perceived entanglement changes as one of them shakes. This allows conclusions to be drawn about the degradation of the entanglement of both observers and its dependence on the initial state, the cavity spectrum and the motion to which they are subjected. To understand the impact of DCE, not only on the transfer of energy but also on its conversion into work, we analyze a paradigmatic thermal machine such as a cavity with a mobile wall inside which is a quantum field that is subjected to an Otto cycle. We identify the harmful contribution of the dynamical Casimir effect to the work extracted when it is operated in finite time, and we study the efficiency and power delivered both when the machine is operated as a heat engine and when it acts as a refrigerator. Being clear about the negative impact of DCE on quantum thermal machines and with the aim of making them more efficient, we study the existence of adiabatic shortcuts in quantum field theory. That is, we find the existence and give practical methods for finding moving wall trajectories that do not produce net photon generation. Finally, after having seen the negative consequences of the dynamical Casimir effect, we analyze how to take advantage of the photons generated by parametric excitation in a system of superconducting circuits to generate a controlled-squeeze gate. We study its universality, as well as the feasibility of its experimental imple- mentation.
Fil: Del Grosso, Nicolás Francisco. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.