Quantum szilard engines and breakdown of adiabaticity
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Resumen
Recent advances in experimental control over mesoscopic systems through optical trapping techniques have led to a renewed theoretical interest in the study of thermodynamic properties at small scales (Takahiro Sagawa and Sano, 2010) (Martínez et al., 2016). In this context, several works have stumbled upon seeming violations of the minimal work principle that revealed an intricate relationship between thermodynamics and information processing (Parrondo, Horowitz, and Sagawa, 2015) (Crooks, 1999). A recurrent model that displays these violations is the microcanonical Szilard engine from which one can, in principle, extract work without the need of a thermal reservoir (Parrondo, Horowitz, and Sagawa, 2015) (Jarzynski, 2013). The present thesis reviews some of the latest theoretical efforts to understand these systems and seeks to advance the discussion by studying quantum versions of the microcanonical engines. We report that by operating these engines adiabatically, work extraction is not feasible. However, by inducing diabatic transitions in the system, it is possible to create superpositions with an average energy lower than that of the initial state. Moreover, there is a range of operation times for which the system can almost achieve maximal performance, i.e., a transition to the ground state.
Resumen
Avances recientes en técnicas de atrapamiento óptico para el control experimental de sistemas mesoscópicos han llevado a un resurgimiento del interés teórico en el estudio de propiedades termodinámicas a escalas pequeñas (Takahiro Sagawa and Sano, 2010) (Martínez et al., 2016). En este contexto, varios trabajos han encontrado violaciones aparentes al principio de mínimo trabajo que revelan una relación estrecha entre termodinámica y procesamiento de información (Parrondo, Horowitz, and Sagawa, 2015) (Crooks, 1999). Un modelo recurrente que muestra estas violaciones es el motor microcanónico de Szilard del se que puede, en principio, extraer trabajo sin necesidad de un reservorio térmico (Parrondo, Horowitz, and Sagawa, 2015) (Jarzynski, 2013). En esta tésis se hace un recuento de los últimos avances teóricos que pretenden entender estos sistemas y se busca avanzar la discusión estudiando versiones cuánticas de los motores microcanónicos. Reportamos que al operar estos motores de manera adiabática, la extracción de trabajo no es fesíble. Sin embargo, al introducir transiciones diabáticas en el sistema, es posible crear superposiciones con una energía menor que la del estado inicial. Adicionalmente, hay un rango de tiempos de operación para los cuales el sistema puede casi alcanzar un rendimiento máximo, i.e., una transición al estado base.