Quantum metrology and thermometry in open systems

Abstract

En mi tesis exploro la metrología cuántica en sistemas abiertos, con especial enfoque en la estimaci ón de temperatura cuántica o termometría. Para este objetivo, voy a clasificar mi estudio en dos regímenes diferentes de equilibrio térmico y más allá del equilibrio térmico. En ambos casos, mis colaboradores y yo planteamos cuestiones de interés fundamental y tecnológico. Entre estas preguntas, señalo lo siguiente: ¿Cuáles son los límites de precisión máximos en la termometría con sondas individuales? ¿Es posible mejorar estos límites utilizando recursos cuánticos tales como las correlaciones cuánticas y la criticalidad cuántica? No sólo encontramos la máxima precisión ligada a la termometría, planteada por las leyes físicas de la naturaleza, sino también muestramos cómo explotar los recursos cuánticos para superar los límites clásicos en la precisión, incluso a temperatura finita. Además, identificamos medidas experimentalmente viables que pueden alcanzar estos límites. Específicamente, nuestros resultados muestran que en una muestra de muchos cuerpos, las correlaciones cuánticas colectivas pueden convertirse en observables óptimos para estimar con precisión la temperatura. A su vez, las correlaciones de spin colectivo se pueden observar con espectroscopia cuántica de Faraday no destructiva. Por lo tanto, nuestro método ofrece la posibilidad de inferir la máxima informaci ón sobre la temperatura, dejando la muestra sin perturbar. Fuera del equilibrio térmico, abordamos sistemas estáticos y dinámicos. En el primer caso, encontramos limitaciones/oportunidades para la estimación a baja temperatura, y bajo gradiente de temperatura en una muestra. Particularmente, identificamos que la precisión termom étrica a baja temperatura puede ser significativamente mejorada mediante el fortalecimiento del acoplamiento sonda-muestra. Nuestras observaciones pueden encontrar aplicaciones prácticas en termometría a nanoescala y baja temperatura—un régimen que es particularmente relevante para tecnologías cuánticas. Con un punto de vista más aplicado, tales protocolos de no equilibrio dan lugar a bombas de calor cuánticas autónomas. Por lo tanto, también pensamos en explorar la calidad de tales bombas de calor con las sondas más pequeñas, es decir, un solo spin. Aunque a primera vista un spin parece ser una sonda muy pequeña, confirmamos su eficiencia explorando bombas de calor cuánticas. Nuestras técnicas pueden encontrar aplicaciones en el campo emergente de la ingenier ía térmica cuántica, ya que facilitan el diagnóstico y la optimización del diseño de ciclos termodinámicos complejos. Cuando se trata de sistemas dinámicos, hemos formulado una teoría (fluctuación-disipación) con la ayuda de la cual se puede identificar la mínima perturbación externa que afecta a un sistema cuántico. Nuestra propuesta puede ser útil en la detección de la fuerzas cuánticas, como por ejemplo, la detección interferométrica de ondas gravitatorias.

In my thesis I explore quantum metrology in open systems, with a special focus on quantum temperature estimation, or thermometry. For this aim, I categorize my study in two different regimes of thermal equilibrium and beyond thermal equilibrium. In both cases, my collaborators and I, raise questions of fundamental and technological interest. Among such questions, I point out the followings: What are the ultimate precision bounds on thermometry with individual (single) probes? Is it possible to improve these bounds by using quantum resources such as quantum correlations and quantum criticality? We not only find the ultimate precision bound on thermometry, posed by physical laws of nature, but also show how to exploit quantum resources to surpass the classical bounds on precision, even at finite temperature. Furthermore, we identify experimentally feasible measurements which can achieve these bounds. Specifically, our results show that in a many-body sample, the collective quantum correlations can become optimal observables to accurately estimate the temperature. In turn, the collective spin correlations can be read out with the non-demolishing quantum Faraday spectroscopy. Hence, our method others inferring maximum information about the temperature, yet leaving the sample unperturbed. Out of thermal equilibrium, we address both static and dynamic systems. In the former case, we find the limitations/opportunities for estimation of low temperature, and small temperature gradient in a sample. Particularly, we identify that the thermometric precision at low temperature can be significantly enhanced by strengthening the probe-sample coupling. Our observations may find applications in practical nanoscale thermometry at low temperature—a regime which is particularly relevant to quantum technologies. With a more applied point of view, such non equilibrium protocols give rise to autonomous quantum heat pumps. Hence, we also give thought to probing the quality of such heat pumps with the tiniest probes, i.e., a single spin. Although at the first glance a spin seems to be a very small probe, we confirm its effciency in probing quantum heat pumps. Our techniques may find applications in the emerging field of quantum thermal engineering, as they facilitate the diagnosis and design optimization of complex thermodynamic cycles. When it comes to dynamic systems, we have formulate a (fluctuation-dissipation) theory with the help of which one can identify the smallest external perturbation which affects a quantum system. Our proposal might be found useful in quantum force detection, for instance, interferometric detection of gravitational waves.