Thermodynamics and quantum correlations

Abstract

Thermodynamics traditionally deals with macroscopic systems at thermal equilibrium. However, since the very beginning of the theory, its range of applicability has only increased, nowadays being applied to virtually every field of science, and to systems of extremely different size. This thesis is devoted to the study of thermodynamics in the quantum regime. It contains original results on topics that include: Work extraction from quantum systems, fluctuations of work, the energetic value of correlations and entanglement, and the thermodynamics of closed quantum many body systems. First, we study work extraction from thermally isolated systems. Here the notion of passive states naturally arises, as those quantum states from which no work can be extracted. We start by characterising the set of passive states, and find the most energetic passive states, a dual family to the well known Gibbs (or thermal) states. Remarkably, passive states have the property of activation: When considered as a whole, several copies of passive states can become nonpassive. We study the dynamics of activation processes, and find a relation between the entanglement generated and the speed of the process. Next, we consider the possibility of extracting work from a system using an auxiliary thermal bath. In this case, according to the second law of thermodynamics, the amount of work is bounded by the free energy difference. We develop corrections to this law which arise from the finite size and the structure of the bath. We go on by studying the fluctuations of work. Fluctuations are particularly relevant for small systems, where their relative size is comparable to the average value itself. However, characterising the fluctuations in the quantum regime is particularly difficult, as measurements generically disturb the state. In fact, we derive a no go result, showing that it is not possible to exactly measure the fluctuations of work in quantum coherent processes. Despite this result, we develop a new scheme that allows for their approximate measurement. An important part of this thesis is devoted to the relation between quantum correlations and work. We start by considering a set of correlated states which are thermal at the local level, in which case the extractable work can only come from the correlations. We compute the amount of work that can be stored in entangled, separable and correlated states with a fixed entropy, by finding the corresponding optimal states and protocols. These results provide fundamental bounds on the potential of different type of correlations for work storage and extraction. Next, we consider the converse scenario, and study the creation of correlations from thermal states. We find thresholds on the maximal temperature for the generation of entanglement. We also work out the minimal work cost of creating different types of correlations, including total correlations, entanglement, and genuine multipartite entanglement. Finally, we study the thermodynamics of closed quantum systems. Here we use one of the most important recent insights from the study of equilibration in quantum systems: Closed many body systems do not equilibrate, but can be effectively described as if they had equilibrated when looking at a restricted, physically relevant, class of observables. Importantly, the corresponding equilibrium state is not necessarily a Gibbs state, but may be very well given by a Generalized Gibbs ensemble state. With this in mind, we develop a framework for studying entropy production and work extraction in closed quantum systems.

La termodinàmica va néixer com una teoria dedicada a l'estudi de cossos macroscòpics en equilibri tèrmic. A partir d'aquell moment, l'abast de la teoria no ha deixat d'augmentar, aplicant-se en l'actualitat a gran part de les disciplines científiques, així com a objectes de mides extremadament diferents. La present tesis està dedicada a l'estudi de la termodinàmica de sistemes quàntics. Conté resultats originals en diferents temes, que inclouen l'extracció de treball de sistemes quàntics, les fluctuacions de treball, la relació entre l'energia i les correlacions quàntiques, i la termodinàmica de sistemes de molts cossos. La primera part de la tesis està dedicada a l'estudi de l'extracció de treball de sistemes quàntics. En aquest context la noció d'estat passiu (un estat del qual no es pot extreure treball) és fonamental. Primer de tot, caracteritzem el conjunt d'estats passius, i en particular trobem els més energètics, que es troben a l'altre extrem dels estats tèrmics (o de Gibbs). Notablement, els estats passius poden ser activats, en el sentit que es pot extreure treball d'un conjunt suficientment gran de còpies d'un estat passiu. Estudiant en detall l'esmentat procés d'activació, trobem una relació entre la velocitat del procés i l'entrellaçament generat. Seguidament, considerem la possibilitat d'extreure treball d'un sistema utilitzant un bany tèrmic. En aquest cas, d'acord amb la segona llei de la termodinàmica, la quantitat de treball està limitada per l'energia lliure. Per sistemes quàntics, en molts casos no és possible extreure tota l'energia lliure, i desenvolupem correccions de la segona llei que depenen només de la mida del bany i de la seva estructura. A continuació estudiem les fluctuacions termodinàmiques (en particular del treball), que són especialment rellevants per sistemes microscòpics. La seva descripció en el règim quàntic és especialment difícil, donat que les mesures tenen un efecte invasiu en l'estat. De fet, mostrem que és impossible mesurar exactament les fluctuacions d'energia en processos que involucren coherència quàntica. Malgrat aquest resultat, també desenvolupem un sistema per mesurar les fluctuacions del treball de forma aproximada. Una part important d'aquesta tesis està dedicada a la relació entre les correlacions (quàntiques) i el treball. Comencem considerant un conjunt d'estats correlacionats, que individualment es troben en un estat tèrmic. La motivació és que en aquest cas el treball contingut en els estats prové únicament de les correlacions. En aquest escenari, calculem la quantitat de treball que es pot extreure d'estats entrellaçats, estats separables i estats correlacionats amb una determinada entropia. És a dir, calculem el treball màxim que es pot extreure de les correlacions, tan clàssiques com quàntiques. A continuació, considerem el procés invers, és a dir, la creació de correlacions en estats tèrmics. En aquest cas derivem límits en la temperatura màxima per poder crear diferents tipus entrellaçament, i el corresponent cost energètic. Finalment, estudiem la termodinàmica de sistemes de molts cossos. Aquí fem servir un dels resultats més importants relacionats amb l'equilibració en sistemes quàntics: sistemes quàntics tancats que involucren moltes partícules no arriben a l'equilibri, però es comporten com si hi haguessin arribat per la majoria d'observables (incloent observables rellevants des d'un punt de vista físic com l'energia). Tanmateix, el corresponent estat d'equilibri no és sempre tèrmic, i a vegades només es pot descriure mitjançant un estat generalitzat de Gibbs (GGE). La nostra contribució consisteix en desenvolupar un formalisme que permet estudiar la producció d'entropia i l'extracció del treball en estats GGE, el qual apliquem a sistemes de fermions.