Entropy production in quantum systems and Nernst heat theorem for a single qubit

dc.contributor.advisor1Almeida, Norton Gomes de
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3182841849332242
dc.contributor.referee1Almeida, Norton Gomes de
dc.contributor.referee2Souza, Alexandre Martins de
dc.contributor.referee3Moraes Neto, Gentil Dias de
dc.creatorSousa, Aryadine Fernandes de
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/0904836837634579
dc.date.accessioned2024-09-24T11:59:16Z
dc.date.available2024-09-24T11:59:16Z
dc.date.issued2024-02-23
dc.description.abstractClassical thermodynamics, which focuses on macroscopic systems in equilibrium, has given rise to various theories to address systems out of equilibrium over time. Recently, quantum thermodynamics has emerged as a theory dedicated to describe microscopic quantum systems. A notable application of this theory is found in the development of thermal engines, where the working substance is a microscopic quantum system. In this work, we present the essential theoretical formulation to understand entropy production in quantum systems and its impact on thermal machines. The approach involves exploring quantum friction and conducting a deeper analysis of the laws of thermodynamics on a fundamental scale. Examining the effects of these phenomena in a Quantum Otto Heat Engine, we highlight the implications of quantum friction on engine performance. Particularly noteworthy is the observation that operating the cycle with a reservoir with effective negative temperature enhances the engine efficiency significantly. This improvement is attributed to strategic choices in the populations of excited states in the reservoirs, revealing an innovative approach to optimizing performance in quantum systems. Additionally, we extend the Nernst heat theorem for a single qubit. This result not only presents intriguing theoretical implications but is also supported by numerical simulations and experiments using Nuclear Magnetic Resonance (NMR). These pieces of evidence uphold the remarkable convergence of Helmholtz free energy and internal energy as the temperature approaches zero Kelvin, underscoring the practical applicability of these theorems in quantum systems.eng
dc.description.resumoA termodinâmica clássica fundamenta-se na análise de sistemas macroscópicos em equilíbrio, originando diversas teorias para abordar sistemas fora de equilíbrio ao longo do tempo. Recentemente, a termodinâmica quântica emergiu como uma teoria especializada na descrição de sistemas quânticos microscópicos. Um exemplo notável dessa teoria é observado no desenvolvimento de motores térmicos, nos quais a substância funcional é um sistema quântico em escala microscópica. Neste trabalho apresentamos a formulação teórica essencial para compreender a produção de entropia em sistemas quânticos e seu impacto em máquinas térmicas. A abordagem envolve explorar o atrito quântico e conduzir uma análise mais profunda das leis da termodinâmica em escala fundamental. Ao examinar os efeitos desses fenômenos em um Ciclo de Otto Quântico, destacamos as implicações do atrito quântico no desempenho do motor. Notavelmente, observamos que operar o ciclo com um reservatório de temperatura negativa efetiva resulta em um aumento significativo na eficiência do motor. Em nossa pesquisa, demonstramos que essa melhoria decorre de escolhas estratégicas nas populações de estados excitados nos reservatórios, revelando uma abordagem para otimizar o desempenho em para esses motores quânticos. Além disso, estendemos o teorema do calor de Nernst para um único qubit. Este resultado não só apresenta implicações teóricas intrigantes, mas também é apoiado por simulações numéricas e experimentos utilizando Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Essas evidências sustentam a convergência da energia livre de Helmholtz e da energia interna à medida que a temperatura se aproxima de zero Kelvin, demonstrando uma extensão deste teorema em sistemas quânticos.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
dc.identifier.citationSOUSA, A. F. Entropy production in quantum systems and nernst heat theorem for a single qubit. 2024. 82 f. Dissertação (Mestrado em física) - Instituto de Física, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2024.
dc.identifier.urihttp://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/13387
dc.languageeng
dc.publisherUniversidade Federal de Goiás
dc.publisher.countryBrasil
dc.publisher.departmentInstituto de Física - IF (RMG)
dc.publisher.initialsUFG
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Fisica (IF)
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectTermodinâmica quânticapor
dc.subjectProdução de entropiapor
dc.subjectMotores térmicospor
dc.subjectFricção quânticapor
dc.subjectTeorema do calor de nernstpor
dc.subjectQuantum thermodynamicseng
dc.subjectEntropy productioneng
dc.subjectHeat engineseng
dc.subjectQuantum frictioneng
dc.subjectNernst heat theorem.eng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA GERAL::FISICA CLASSICA E FISICA QUANTICA; MECANICA E CAMPOS
dc.titleEntropy production in quantum systems and Nernst heat theorem for a single qubit
dc.title.alternativeProdução de Entropia em Sistemas Quânticos e o Teorema do Calor de Nernst para um Único Qubitpor
dc.typeDissertação

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