Multi-qubit fuels

Abstract

Son on yılda, kuantum ısı motorları için yakıt olarak kullanılabilen termal olmayan rezervuarların özelliklerini anlamak için büyük bir gelişme olmuştur. Bu motorların verimliliği klasik Carnot sınırını aşabilir ve bu motorlar tek bir ısı rezervuarı ve bir bilgi deposuyla bile çalışabilir. Bu tür termal olmayan rezervuarların örneklerinden biride kuantum uyumlu parçacık kümeleridir. Kuantum uyumlu yakıtların avantajlarından yararlanmanın önündeki en önemli engel de eşevresizliktir. Parçacıkların sayısının artırılması ve dolayısıyla uyumluluğun artması bu engeli ortadan kaldırabilir. Bununla birlikte, bu tür termal olmayan rezervuarların analitik çalışmaları sadece üç¸ tane uyumlu parçacığa kadar incelenmiş¸ ve genel uyumlu çoklu parçacık yakıtlar için sonuçlar nümerik olarak elde edilmiştir. Bu tez çalışmasında, biz analitik olarak uyumluluğun N-qubit kümelerle, çalışma akışkanları ile etkileşimleri açısından, sınıflandırılabileceğini gösterdik. Bu uyumlu N-qubit kümelenmelerinin, çalışma modunu tutarlı bir şekilde hareket ettirebildiğini, ya da etkili sıkışmış¸ termal rezervuarı kurmak için kullanılabileceğini gösteriyoruz. Çalışma modunun sabit durum sıcaklığının, kümedeki qubit sayısı ile doğrusal veya kuadratik olarak ölçeklenebileceğini göstermekteyiz. Modelimizi kullanarak bir Otto motoru da tasarlıyoruz ve verimlik sınırının artırabileceğimizi gösteriyoruz. Son olarak, modelimizi bir devre QED platformunda nasıl uygulayabileceğimizi öneriyoruz.

In the last decade, there has been a major development to understand the properties ofnon-thermal baths, which can be used as a fuel for quantum heat engines. The efficiencyof such engines can surpass the classical Carnot bound, and these engines can even operatewith a single heat bath and an information reservoir. Quantum coherent particle clustersare one of the examples of such non-thermal baths. Decoherence is the major obstacle forutilizing the advantages of quantum coherent fuels. Increasing the number of particles andthus the amount of coherence can overcome this obstacle. However, the analytical studiesof such non-thermal reservoirs were investigated only up to three coherent particles, and forthe general coherent multi-particle fuels results were obtained numerically. In this thesis,we analytically show how coherences are classified in N-qubit clusters in terms of theirinteraction with the working fluid. We demonstrate that these coherent N-qubit clusterscan thermalize, coherently drive the working mode, or can be used to engineer effectivesqueezed thermal bath. We show that the steady-state temperature of the working modecan scale linearly or quadratically with the number of the qubits in the cluster. We alsoconstruct an Otto engine using our model and show that we can increase efficiency bound.Finally, we propose how we can implement our model in a circuit-QED platform.