Estudo do limite quântico da termodinâmica empregando emaranhamento fotônico

Abstract

Quando os sistemas ficam menores, efeitos quânticos, como flutuações, tornam-se relevantes e não podem ser negligenciados. A termodinâmica quântica e a teoria da informação quântica são áreas de pesquisa e têm demonstrado um crescente interesse teórico e experimental. No entanto, o estudo com configurações experimentais usando sistemas tão pequenos é complicado e instável. Neste trabalho, apresentamos e investigamos um esquema ótico experimental que simula sistemas quânticos. Esta configuração ótica usando fótons únicos é fácil de manipular e estável. Utilizamos o grau de liberdade discreto do momento angular orbital (MAO) para simular auto-estados de energia de um sistema quântico. No processo de conversão descendente paramétrica espontânea, um par de fótons únicos é gerado, que são naturalmente emaranhados em seu MAO. Portanto, bombear um cristal não linear com um feixe de laser no modo Gaussiano cria dois fótons gêmeos altamente correlacionados. Esses fótons gêmeos, chamados de sinal e idler, possuem MAO igual de sinais opostos. Medir esse MAO de um dos fótons prepara remotamente o momento do outro fóton. Mostramos como manipular esses estados preparados remotamente para simular estados térmicos. Modulamos a temperatura de tais distribuições térmicas e aplicamos processos como turbulência aos estados térmicos enquanto analisamos a saída. Mostramos como usar este esquema experimental para investigar a termodinâmica quântica, como a relação de flutuação de Jarzynski.

Abstract: When systems get smaller, quantum effects, like fluctuations, become relevant and cannot be neglected. Quantum thermodynamics and quantum information theory are active areas of research and have shown an increased theoretical and experimental interest. However the study with experimental setups using such small systems are complicated and unstable. In this work, we present and investigate an experimental optical scheme that emulates quantum systems. This optical setup using single photons is easy to manipulate and stable. We utilize the discrete orbital angular momentum (OAM) degree of freedom to simulate energy eigenstates of a quantum system. In the process of spontaneous parametric down-conversion, a pair of single photons is generated, which are naturally entangled in their OAM. Therefore, pumping a non-linear crystal with a laser beam in a Gaussian mode creates two highly-correlated twin photons. These twin photons, called signal and idler, possess equal OAM of opposite signs. Measuring this momentum of one of the photons remotely prepares the momentum of the other photon. We show how to manipulate these remotely prepared states in order to simulate thermal states. We modulate the temperature of such thermal distributions and apply processes like turbulence to the thermal states while analyzing the output. We show how to use this experimental scheme to investigate quantum thermodynamics, like the Jarzynski fluctuation relation.