Quantum Brownian motion revisited : extensions and applications

Abstract

Quantum Brownian motion represents a paradigmatic model of open quantum system, namely a system which cannot be treated as an isolated one, because of the unavoidable interaction with the surrounding environment. In this case the central system is constituted by a quantum particle, while the bath is made up by a large set of uncoupled harmonic oscillators. In the original model, the interaction between the system and the environment shows a linear dependence on the particle position. Such a particular form corresponds to a homogeneous environment, inducing a damping and diffusion which depends on the state. This is not the most general situation: often the environment shows an inhomogeneous character given by a space-dependent density, involving a non-linearity in the coupling with the central system. One of the main motivations of the thesis is the study of quantum Brownian motion in presence of this non-linear coupling. In particular we focus on the case in which the bath-particle interaction depends quadratically on the position of the latter. There exist several techniques aimed to treat the physics of the model. For instance one could consider the master equation, namely an equation ruling the temporal evolution of the state of the Brownian particle, here represented by its reduced density matrix. We derive such an equation in the Born-Markov regime and look into its stationary solution, studying its configuration in the phase space. For a non-linear quadratic coupling the stationary state may be approximated by means of a Gaussian Wigner function, that experiences genuine position squeezing (i.e. the position variance of the particle takes a value smaller than that associated to the Heisenberg principle, although this is fulfilled) at low temperature and as the coupling with the bath grows. However, the Born-Markov master equation is not the most appropriate tool to investigate the regime in which squeezing occurs, since the underlying hypothesis in general fail at strong coupling and low temperature, leading to violations of the Heisenberg principle. To overcome this problem we recall alternative methods, such as a Lindblad equation, namely a master equation constructed to preserve the positivity of the state at any time, and Heisenberg equations. In particular we employ the Heisenberg equation formalism to explore the behavior of the Bose polaron, i.e. an impurity embedded in a Bose-Einstein condensate. This experimentally feasible system attracted a lot of attention in the last years. We derive the equation of motion of the impurity position showing that it shows the same form of the famous equation derived by Langevin in 1909 in the context of classical Brownian motion. The main difference lies in the fact that the impurity Langevin-like equation for the impurity carries a certain amount of memory effects, while the original one was purely Markovian. An important part of the work is devoted to the solution of the motion equation for the impurity, in order to calculate the position variance that can be measured in experiments. For this goal we distinguish the case in which the impurity is trapped in a harmonic potential and that where it is free of any trap. In the latter case the impurity the position variance exhibits a quadratic dependence on time (i.e. ballistic diffusion), as a consequence of memory effects. When the impurity is trapped in a harmonic potential it approaches an equilibrium state localized in average in the middle of the trap. Here, at low temperature and for certain values of the coupling strength we detect genuine position squeezing. When we consider a gas with a Thomas-Fermi profile we find that such an effect is improved if we make the gas trap tighter. Genuine squeezing plays an important role in the context of quantum metrology and opens a wide range of possibility to design new protocols, such as the quantum thermometer

El movimiento Browniano cuántico es uno de los principales modelos de sistema abierto, es decir un sistema cuyo comportamiento no se puede tratar de manera separada de su entorno. Este modelo describe la física de una partícula acoplada a un entorno de osciladores. En la versión original del modelo la interacción entre la partícula y el entorno manifiesta una dependencia lineal de la posición de ambos los sistemas. Esta forma analítica del acoplamiento corresponde a un entorno homogeneo, asociado a una fricción y una difusión que dependen del estado del sistema. En todo caso, esta no es la situación más general: a menudo el enorno es inhomogeneo, ya que la densidad no es constante, y esto produce una interacción cuya dependencia de la posición de la partícula no es lineal. Una de las motivaciones principales de esta tesis es el estudio del movimiento Browniano cuántico en presencia de acoplamiento non-lineal. En particular, estudiamos el caso de dependencia cuadrática en la posición de la partícula. Existen muchas técnicas para abordar el modelo. Por ejemplo, se puede emplear la master equation, o sea un ecuación que gobierna la evolución en el tiempo del estado de la partícula, representado por el operador densidad reducido. Derivamos esta ecuación en el régimen de Born-Markov, y estudiamos la forma del estado estacionario en el espacio de las fases. Cuando el acoplamiento es cuadrático, este estado se puede aproximar por medio de una función de Wigner de forma Gausiana, cuya peculiaridad es la emergencia de genuine position squeezing (la varianza de la posición adquiere un valor más bajo de el asociado a la cota de Heisenberg) a temperaturas bajas y cuando el acoplamiento crece. Sin embargo, la ecuación de Born-Markov no es la herramienta más adecuada para tratar el régimen en el que detectamos squeezing, porque las hipótesis subyacentes en general no valen a temperaturas bajas e interacción fuerte, llevando a violaciones del principio de Heisenberg. Para superar este obstáculo es posible emplear métodos alternativos, por ejemplo la ecuación de Lindblad, es decir una ecuación cuya forma sirve para preservar la positividad del estado en cualquier instante, y las ecuaciones de Heisenberg. En particular, aplicamos el formalismo de las ecuaciones de Heisenberg para investigar el comportamiento del Bose polaron, o sea una impureza en un condensado de Bose-Einstein. Es un sistema realista experimentalmente que ha atraido mucha atención recientemente. Derivamos la ecuación del movimiento de la impureza y mostramos que su forma analítica es la misma que la de la ecuación de Langevin para el movimiento Browniano clásico. La diferencia principal es que en este caso la dinámica acarrea efectos de memoria. Una parte importante del trabajo consiste en solucionar esta ecuación del movimiento para evaluar la varianza de la posición, que se puede medir en experimentos. Aquí diferenciamos dos casos: cuando la impureza está atrapada en un potencial armónico, y cuando no hay trampa armónica. En el segundo caso la varianza es proporcional al cuadrado del tiempo (difusión balística), como consecuencia de los efectos de memoria. Cuando la impureza está atrapada alcanza un estado de equilibrio localizado en el medio de la trampa. En este estado, bajando la temperatura y considerando valores del coupling más fuertes detectamos otra vez squeezing. Si consideramos un gas con una densidad de Thomas-Fermi se puede comprobar que este efecto se puede optimizar aprietando la trampa del gas. El estudio del squeezing es muy importante en el marco de la metrología cuántica porque permite el desarrollo de nuevo protocolos como el termometro cuántico.