Consecuencias del efecto Casimir dinámico en la termodinámica y la información cuántica - Del Grosso, Nicolás Francisco (2023)
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.