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.
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.
Quantum Brownian motion is one of the most prominent examples of an open quantum system, a system which cannot be treated in isolation from its environment. The simplest method to study the dynamics of a system undergoing such a type of motion, that satisfies Heisenberg Uncertainty principle is the approach of Quantum Generalized Langevin Equations (QGLE), which was used throughout this thesis. A Quantum Brownian motion approach is used in this work to study the Bose polaron problem. In this case, one transforms the original problem into one where the impurities are treated as quantum Brownian particles interacting with a bath composed of the Bogoliubov modes of the condensate. Then by deriving the relevant QGLE, it was shown that the dynamics of the Bose polaron exhibit memory effects. This was studied for both a free Bose-Einstein condensate (BEC) and a harmonically trapped one, in both cases for experimentally relevant parameters. Taking advantage of this recent theoretical development, we study a number of phenomena that can be examined under this prism and show how various microdevices can be constructed and controlled. In the first project, we study the creation of entanglement and squeezing of two uncoupled impurities that are immersed in a single common (BEC) bath. We treat these impurities as two quantum Brownian particles. We study two scenarios:(i) In the absence of an external potential, we observe sudden death of entanglement;(ii) In the presence of an external harmonic potential, where entanglement survives even at the asymptotic time limit. In our second work, we studied the diffusive behavior of a Bose Polaron immersed in a coherently coupled two-component BEC. The particle superdiffuses if it couples in the same manner to both components, i.e. if it couples either attractively or repulsively to both of them. This is the same behavior of an impurity immersed in a single BEC. Conversely, we find that it exhibits a transient nontrivial subdiffusive behavior if it couples attractively to one of the components and repulsively with the other. We show how the magnitude of the anomalous exponent reached and the duration of the subdiffusive interval can be controlled with the Rabi frequency of the coherent coupling between the two components and the coupling strength of the impurity to the BEC. Then we proceeded with the construction of two microdevices, a quantum sub-nk thermometer and a heat diode. In the first project, we introduced a novel minimally disturbing method for sub-nK thermometry in a BEC. In this case, the impurity acted as a thermometer, where one detects temperature fluctuations from measurements of the position and momentum of the impurity. Crucially, these cause minimal backaction on the BEC and hence, realize a nondemolition temperature measurement. Following the paradigm of the emerging field of quantum thermometry, we combine tools from quantum parameter estimation and the theory of open quantum systems to solve the problem in full generality. We thus avoid any simplification, such as demanding thermalization of the impurity atoms. In our final work, we investigated the heat transport and the control of heat current among two spatially separated trapped BECs, each of them at a different temperature. To allow for heat transport among the two independent BECs we consider a link made of two dipole-dipole interacting harmonically trapped impurities, each of them interacting with one of the BECs. We address the dependence of heat current and current-current correlations on the physical parameters of the system. Interestingly, we show that heat rectification, can occur in our system, when a periodic driving on the trapping frequencies of the impurities is considered. Therefore, our system is a possible setup for the implementation of a phononic circuit, and hence contributes in the general framework of using BECs as platforms for quantum information processing. El movimiento Browniano, es un ejemplo de un sistema abierto, es decir un sistema que no se puede tratar en aislamiento. El método más simple para estudiar la dinámica de dicho sistema, que cumple el principio de la incertidumbre de Heisenberg es el de Quantum Generalized Langevin Equations (QGLE), que es el método que se usa en esta tesis. La perspectiva de Quantum Brownian motion se ha usado para estudiar muchos sistemas, entre ellos el problema de Bose polaron. En este caso, uno pasa el problema original a uno donde las impurezas se tratan como partículas Brownianas quanticas interactuando con un baño compuesto de modos de Bogoliubov del condensado. Después de derivar la QGLE relevante, se puede demostrar que la dinámica del Bose polaron muestra efectos de memoria. Esto se ha estudiado tanto en un Bose Einstein Condensate (BEC) libre como en uno atrapado en un trapo harmónico, para parámetros relevantes en experimentos. Aprovechando de este reciente desarrollo, estudiamos muchos fenómenos que se pueden investigar bajo este prisma y mostramos cómo se pueden construir y controlar varios microdispositivos. En el primer proyecto, estudiamos la creación de enlazamiento y squeezing de dos impurezas no acopladas, inmersas en un único BEC baño común. Estudiamos dos senarios: (i) en la ausencia de un potencial externo, donde observamos la muerte repentina del enlazamiento (ii) en la presencia de un trapo externo harmónico, donde el enlazamiento sobrevive incluso en el límite asintótico de largos tiempos. En nuestro segundo trabajo, estudiamos el comportamiento difusivo de un Bose polaron inmerso en un BEC de dos componentes que están acopladas coherentemente. La partícula es superdffusa si se acopla en la misma manera a los dos componentes, i.e. atractivamente o repulsivamente, como en el caso de un unico BEC. En el caso contrario, encontramos que la partícula muestra un comportamiento transitorio non-trivial. Mostramos como la magnitud del exponente anómalo y la duración del periodo transitorio se pueden controlar a través de la frecuencia Rabi del acoplamiento coherente entre los dos componentes y la fuerza del acoplamiento de la impureza a los dos componentes del BEC. En seguida, procedemos con la construcción de dos microdispositivos, un termómetro quántico y un diodo térmico. En el primer proyecto, hemos introducido un nuevo método de mínimo disturbio, que sirve para termometría en temperaturas sub-nK en un BEC. Nuestra técnica está basada otra vez en el modelo de Bose polaron, donde esta vez la impureza inmersa en un BEC sirve como un termómetro. La propuesta es detectar fluctuaciones de la temperatura de las medidas de la posición y el impulso de la impureza. Crucialmente, estas causan una reacción mínima en el BEC y, por lo tanto, realizan una medida de la temperatura no demoledora. En nuestro trabajo, evitamos cualquiera simplificación, como la imposición de la termalización de la impureza, o del acoplamiento débil de la impureza con el BEC. En el último trabajo, investigamos el transporte de calor y el control de corrientes de calor entre dos BECs espacialmente separados y atrapados harmónicamente, en temperaturas distintas. El flujo de calor entre los dos BECs, esta facilitado a través de dos impurezas harmónicamente atrapadas, cada una interactuando con su propio BEC. Las impurezas estan acopladas a traves de interacciones de dipolo-dipolo. Examinamos la dependencia del corriente de calor y sus correlaciones en los parámetros físicos del sistema. Mostramos que la rectificación del corriente del calor, i.e. el flujo de calor unidireccional puede ocurrir en el sistema, cuando aplicamos una conducción periódica en las frecuencias de los trapos de las impurezas. Por lo tanto, nuestro sistema es una posible configuración para la implementación de un circuito fononico.
The theory of quantum Brownian motion describes the properties of a large class of open quantum systems. Nonetheless, its description in terms of a Born-Markov master equation, widely used in the literature, is known to violate the positivity of the density operator at very low temperatures. We study an extension of existing models, leading to an equation in the Lindblad form, which is free of this problem. We study the dynamics of the model, including the detailed properties of its stationary solution, for both constant and position-dependent coupling of the Brownian particle to the bath, focusing in particular on the correlations and the squeezing of the probability distribution induced by the environment.
El tema central de la tesis doctoral es el análisis de los sistemas cuánticos abiertos. Estos sistemas se caracterizan por estar sometidos a la interacción con el entorno, lo que provoca que su evolución deje de ser unitaria. Es por tanto necesario considerar modelos más allá de la ecuación de Schrödinger. Los sistemas cuánticos abiertos aparecen en numerosos campos, como la Física del Estado Sólido y la Dinámica Molecular. Por este motivo, un análisis detallado de sus propiedades y su dinámica es un tema digno de estudio con un gran abanico de aplicaciones. El enfoque elegido en esta tesis es el desarrollo de un formalismo geométrico que describa de forma adecuada las características de los sistemas cuánticos abiertos. La geometría diferencial ha demostrado ser una herramienta muy útil en el análisis de sistemas físicos. Desde mediados del siglo XX, se ha desarrollado con gran éxito una descripción geométrica de la Mecánica Clásica, principalmente en torno a las mecánicas lagrangiana y hamiltoniana. Por este motivo, resulta natural describir también los sistemas cuánticos en términos geométricos. Las ventajas de un formalismo geométrico resultan claras. Cuando tanto los sistemas clásicos como los cuánticos se describen en los mismos términos, es sencillo describir situaciones en las que existan interacciones clásico-cuánticas. Éste es el caso, por ejemplo, de muchos modelos de Dinámica Molecular, en los que los núcleos y los electrones son considerados respectivamente como partículas clásicas y cuánticas. Por otra parte, un formalismo geométrico de la Mecánica Cuántica posibilita un mejor entendimiento de las diferencias intrínsecas entre las teorías clásicas y las cuánticas. Dada su relevancia a lo largo de la tesis, el Capítulo 1 está enfocado al resumen y el análisis de la descripción geométrica de la imagen de Schrödinger de la Mecánica Cuántica. En formulación usual (algebraica), esta imagen se basa en la representación de los estados de los sistemas cuánticos mediante vectores en un espacio de Hilbert complejo. La transición a una formulación basada en geometría diferencial es inmediata para sistemas finito-dimensionales, dado que los espacios lineales de dimensión finita son casos triviales de variedades diferenciables. Las estructuras adicionales, en concreto el producto hermítico propio de los espacios de Hilbert y los escalares complejos, se describen mediante campos tensoriales en dichas variedades diferenciables, formando lo que se conoce como una estructura Kähler. Todos los ingredientes necesarios para el análisis de sistemas cuánticos pueden describirse en estas variedades de Kähler. Los observables se representan mediante funciones diferenciables, mientras que la dinámica se describe mediante curvas integrales de campos vectoriales hamiltonianos respecto a la forma simpléctica de la estructura Kähler. Esta caracterización puede llevarse a cabo en el espacio de Hilbert asociado a cualquier sistema cuántico finito-dimensional. Además, es posible analizar las propiedades geométricas del espacio proyectivo de Hilbert, el cual constituye el conjunto de estados puros del sistema. Su estructura Kähler puede ser deducida mediante un proceso de reducción de la estructura previamente obtenida en el espacio de Hilbert. Como aspecto novedoso, la tesis presenta en detalle este proceso de reducción, dotándolo de una descripción matemática adecuada. Todas las características de la imagen de Schrödinger pueden describirse de forma geométrica, lo que permite utilizar nuevas herramientas en el análisis de los sistemas cuánticos. Éste es precisamente el tema principal del Capítulo 2, en el cual se utilizan los sistemas de Lie-Kähler para resolver la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo. En geometría diferencial, un sistema de Lie es un sistema no homogéneo de ecuaciones diferenciales que admite una regla de superposición. En general, la obtención de esta regla de superposición es una ardua tarea, la cual puede aligerarse en presencia de estructuras adicionales que sean preservadas por la acción del sistema de Lie. De esta forma, según la estructura preservada, es posible hablar de sistemas de Lie-Hamilton, Lie-Dirac, etc. En el caso de la Mecánica Cuántica, una ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo es un sistema de Lie que preserva la estructura de Kähler previamente descrita. Es por tanto un nuevo tipo de sistema de Lie, al que resulta natural denominar de Lie-Kähler. El Capítulo 2 presenta las propiedades de estos nuevos sistemas y describe un método riguroso para la obtención de sus reglas de superposición. El formalismo geométrico puede extenderse más allá de la imagen de Schrödinger, lo que resulta necesario en el contexto de los sistemas cuánticos abiertos, dado que tanto estados puros como estados mezcla son necesarios para su descripción. Por este motivo, el Capítulo 3 resume la imagen de Heisenberg de la Mecánica Cuántica y su representación de los estados puros y mezcla como funcionales lineales en el álgebra de Lie-Jordan de observables. Se explica también como las estructuras algebraicas de los observables pueden representarse geométricamente en el espacio dual de funcionales lineales en el álgebra. Este es el punto de partida de una de las principales contribuciones de la tesis. Un proceso de reducción, similar al realizado en el análisis de la imagen de Schrödinger, permite describir las propiedades geométricas de la variedad de estados puros y mezcla del sistema. De esta forma, se obtienen dos campos tensoriales en la variedad de estados, los cuales representan correctamente las estructuras algebraicas de los observables. Puede por tanto concluirse que el formalismo geométrico presentado en la tesis es completamente equivalente a la descripción algebraica tradicional, ya que se logra describir adecuadamente todas las propiedades de los sistemas cuánticos. Además, el formalismo geométrico ofrece una visión más clara de las propiedades intrínsecas de la Mecánica Cuántica, lo que facilita una mejor comprensión de la teoría. Por otra parte, un análisis geométrico de la variedad de estados permite estudiar su estratificación y sus propiedades. La tesis demuestra que se trata de una variedad con borde, cuyos puntos extremales son precisamente los estados puros del sistema. La estratificación de esta variedad resulta importante a la hora de considerar la dinámica inducida por campos gradiente y hamiltonianos. Con el objetivo de ilustrar todas estas propiedades, se analizan unos casos sencillos pero con relevancia física. A lo largo de la tesis, se muestran diversas aplicaciones del formalismo geométrico al análisis de sistemas cuánticos abiertos. El Capítulo 4 presenta la descripción de la evolución markoviana de sistemas cuánticos abiertos. Se dice que una evolución es markoviana si depende únicamente en el estado actual del sistema y no de los estados en instantes anteriores, es decir, si el sistema "no tiene memoria". En Mecánica Cuántica, la evolución markoviana se obtiene a partir de la ecuación de Kossakowski-Lindblad, una ecuación diferencial de primer orden en la variedad de estados puros y mezcla de un sistema cuántico abierto. El formalismo geométrico describe esta ecuación como un campo tensorial en esta variedad, lo que permite analizar las propiedades de sus curvas integrales. De esta manera, es posible considerar diversos aspectos de la evolución markoviana desde un punto de vista geométrico. Cualquier evolución no-unitaria determina un cambio en las propiedades algebraicas de los observables cuánticos, lo que puede resultar en una contracción del álgebra. En términos geométricos, esta contracción puede entenderse mediante el límite de una familia de campos tensoriales definida por el flujo del campo tensorial de Kossakowski-Lindblad. Otra característica importante de esta evolución es la existencia de variedades límite. Sus propiedades pueden determinarse gracias a la estructura afín existente, lo que a su vez permite investigar su relación con las contracciones de álgebras de observables. Por último, se ofrece una descripción geométrica de los problemas de control de sistemas cuánticos abiertos. Un análisis geométrico de la Mecánica Cuántica permite aplicar a estos problemas los resultados de la teoría de control de grupos de Lie. Como consecuencia, es posible realizar una clasificación de los sistemas cuánticos abiertos según sus propiedades de controlabilidad. Otro ejemplo de sistemas cuánticos abiertos aparece en el contexto de la Dinámica Molecular. En el estudio de sistemas moleculares, debido al gran número de partículas presentes, la ecuación de Schrödinger no puede ser resuelta ni siquiera por métodos numéricos. Por tanto, resulta útil considerar aproximaciones a la ecuación de Schrödinger. En particular, existen muchos modelos que consideran un comportamiento clásico de algunas de las partículas, normalmente los núcleos. El Capítulo 5 resume las propiedades estos modelos moleculares, y en particular del conocido como modelo de Ehrenfest. Es posible llevar a cabo una descripción geométrica de este modelo, basándose en las descripciones de los subsistemas clásico y cuántico. Como resultado, las ecuaciones del modelo pueden escribirse como ecuaciones hamiltonianas en una variedad de Poisson. A partir de estas propiedades, la tesis presenta una generalización del modelo de Ehrenfest a distribuciones estadísticas. Este es un paso importante, ya que se demuestra que esta descripción estadística predice la aparición de efectos relacionados con el fenómeno de decoherencia, algo que no ocurre en el modelo de Ehrenfest estándar. Se han realizado simulaciones numéricas, cuyos resultados respaldan la descripción de sistemas moleculares mediante el modelo estadístico de Ehrenfest. Por último, en este contexto resulta posible considerar distribuciones estadísticas con temperatura. La tesis presenta estas dist
We analyze the microscopic model of quantum Brownian motion, describing a Brownian particle interacting with a bosonic bath through a coupling which is linear in the creation and annihilation operators of the bath, but may be a nonlinear function of the position of the particle. Physically, this corresponds to a configuration in which damping and diffusion are spatially inhomogeneous. We derive systematically the quantum master equation for the Brownian particle in the Born-Markov approximation and we discuss the appearance of additional terms, for various polynomials forms of the coupling. We discuss the cases of linear and quadratic coupling in great detail and we derive, using Wigner function techniques, the stationary solutions of the master equation for a Brownian particle in a harmonic trapping potential. We predict quite generally Gaussian stationary states, and we compute the aspect ratio and the spread of the distributions. In particular, we find that these solutions may be squeezed (superlocalized) with respect to the position of the Brownian particle. We analyze various restrictions to the validity of our theory posed by non-Markovian effects and by the Heisenberg principle. We further study the dynamical stability of the system, by applying a Gaussian approximation to the time-dependent Wigner function, and we compute the decoherence rates of coherent quantum superpositions in position space. Finally, we propose a possible experimental realization of the physics discussed here, by considering an impurity particle embedded in a degenerate quantum gas.
Quiero agradecer a mis padres, Antonio y Noelia, por su amor, paciencia y constante aliento.Su apoyo ha sido la base que me ha permitido embarcarme en este viaje académico.Gracias por brindarme las herramientas necesarias para alcanzar mis metas, por forjar en mi sus valores.Cada logro alcanzado es también su triunfo, y por ello, les estoy eternamente agradecida.A mi hermano Jesús.Tu presencia ha sido un recordatorio constante de la importancia de la familia en cada logro.Gracias por ser mi consejero y mi amigo, y por mostrarme que la vida es de los valientes con tu ejemplo, mis logros son tuyos hermano.A Ricardo, le dedico un agradecimiento especial.Tu amor y comprensión han sido mi refugio en los momentos desafiantes.Gracias por caminar a mi lado durante esta travesía académica, por celebrar mis triunfos y sostenerme en las derrotas.Para Miguel.Tu sabiduría y mentoría han sido fundamentales en cada etapa de esta investigación.Gracias no sólo por ser un asesor si no un amigo.Gracias por tu paciencia.Este logro no habría sido posible sin tu apoyo constante.Estoy agradecida por el privilegio de aprender de ti.A José Inés.Tu orientación y colaboración con este proyecto han sido invaluables.Gracias por tu compromiso con mi proyecto y tu disposición para compartir tus conocimientos.A CONAHCYT.Agradezco sinceramente el apoyo financiero brindado a través de su programa de becas.Su contribución ha sido esencial para hacer realidad este proyecto de investigación.Y a todos aquellos que de alguna manera contribuyeron a este proyecto, ya sea con su orientación, o su apoyo moral, les estoy agradecida.Este logro no habría sido posible sin el respaldo de cada uno de ustedes. III Resumen.Esta tesis presenta una investigación sobre las distribuciones de trabajo analizando sistemas como el oscilador armónico y el oscilador cuártico a nivel tanto clásico como cuántico perturbados, explorando su comportamiento fuera de equilibrio mediante un cambio súbito o instantáneo de un parámetro de control (quench).Para llevar a cabo este análisis se emplean y aplican métodos numéricos y estadísticos que permiten analizar la evolución temporal de estos sistemas, proporcionando una visión detallada de la redistribución de energía y del trabajo en condiciones fuera del equilibrio.Utilizando algunas herramientas útiles para el estudio de estos sistemas, como son las relaciones de fluctuación, y las distribuciones de trabajo tanto a nivel clásico como cuántico.Posteriormente, se introduce el estudio de la distribución de trabajo de forma detallada en los sistemas armónico y cuártico llevados lejos del equilibrio mediante un protocolo o quench, tanto en el contexto clásico como cuántico empleando métodos numéricos para simular la dinámica temporal del sistema y de esta forma analizar la redistribución de la energía después del quench, enfrentando problemas tales como la convergencia en el truncamiento de la base de Fock para el caso cuántico.Este análisis revela sutilezas fundamentales en la redistribución de energía destacando las diferencias clave entre los regímenes clásico y cuántico, y proporcionando una base para el estudio de sistemas más complejos.Los resultados obtenidos en esta investigación contribuyen al entendimiento de la correspondencia clásico-cuántica de los sistemas fuera de equilibrio.Por tanto esta tesis propone un punto de partida para futuras investigaciones en el campo de la física fuera del equilibrio de sistemas interactuantes. IV Capítulo 1Introducción.El objetivo fundamental de la termodinámica clásica es describir las propiedades de un sistema cuando este experimenta un cambio de estado debido a la interacción con su entorno [1].Estas interacciones implican el intercambio de diversas formas de energía, como calor, trabajo y materia, así como variaciones en la energía interna y la entropía del sistema.El cambio de estado ocurre entre estados de equilibrio, en los cuales las variables termodinámicas no varían con el tiempo.Formalmente, un estado de equilibrio se define como aquel en el que el promedio temporal de las variables macroscópicas del sistema permanece constante, según lo establece el postulado de equilibrio [2].Un sistema aislado, que no interactúa con su entorno, alcanzará una condición que no cambiará con el tiempo.Sin embargo, un sistema puede ser modificado para cambiar de un estado a otro a través de un proceso termodinámico, que se puede visualizar como una trayectoria o curva en el espacio de estados termodinámicos.Si la curva es continua, cada punto representa un estado de equilibrio del sistema, y el proceso se considera cuasiestático.Un proceso se denomina reversible si su dirección puede invertirse mediante un cambio infinitesimal en alguna propiedad del entorno, como la presión o la temperatura.Durante un proceso reversible, el sistema y su entorno permanecen en equilibrio, y no hay fricción ni otras formas de disipación.Sin embargo, en la naturaleza, todos los procesos son irreversibles, es decir, ocurren fuera del equilibrio.Los procesos reversibles son ideales y deben ser cuasiestáticos para mantener el equilibrio.No obstante, un proceso cuasiestático no es necesariamente reversible.Por ejemplo, si se lleva a cabo en presencia de fricción, aúnque sea lento, habrá pérdida de energía en forma de calor [2].Las partículas desde un punto de vista clásico obedecen las ecuaciones de movimiento de Hamilton.Estas ecuaciones son deterministas y reversibles en el tiempo 1 , lo que significa que si se conocen las condiciones iniciales del sistema (posiciones y velocidades) y las fuerzas que actúan sobre él, es posible predecir su evolución a todo tiempo [4].En un sistema clásico, el estado del sistema se describe mediante un conjunto de variables de posición y momento que evolucionan en el tiempo según las ecuaciones de movimiento de Hamilton [5].Estas ecuaciones deterministas dictan la dinámica del sistema en un espacio de fases continuo, donde la evolución temporal es totalmente predecible si se conocen las condiciones iniciales [5].
En esta tesis discutimos el problema de la disipación y la evolución al equilibrio enel movimiento Browniano cuántico en el marco del formalismo de la segunda cuantización. Consideramos un modelo cuyo Hamiltoniano es bilineal en los operadores decreación y aniquilación, que puede reinterpretarse como el correspondiente a un conjuntode osciladores acoplados. Derivamos una ecuación exacta, completamente equivalente alas ecuaciones de Heisenberg, para los valores medios de los operadores número de ocupación,que tiene el aspecto de una ecuación maestra. En general, los coeficientes de dichaecuación no son simétricos y dependen del tiempo, pero pueden ser interpretados como lasprobabilidades de transición por unidad de tiempo en la aproximación de segundo ordenen la constante de acoplamiento. Los gráficos correspondientes a una solución numéricaexacta permiten visualizar el rango de validez de dicha aproximación. Identificando unode los osciladores como la partícula Browniana, lo que luego cobrará sentido medianteuna elección adecuada de los parámetros del modelo, obtenemos una ecuación exacta,completamente equivalente a la ecuación de Heisenberg, para el operador posición. Dichaecuación tiene la forma de la ecuación de Langevin pero nuevamente sus coeficientes dependenexplícitamente del tiempo. Sin embargo, los mismos pueden identificarse con lafrecuencia renormalizada y el factor de amortiguamiento luego de efectuada la aproximaciónde segundo orden. Para el caso particular en el que los osciladores que componenel reservorio no interactúan entre sí, resolvemos exactamente el modelo para un tipo deacoplamiento conocido como aproximación de onda rotante, diagonalizando el Hamiltonianoen el sector de un cuanto. Estudiamos primero el caso de un baño finito, que luegollevamos a un conjunto denso efecutando el límite continuo del modelo discreto. Parael modelo finito obtenemos un comportamiento “prácticamente” irreversible como consecuenciade las escalas temporales involucradas, en las cuales se manifiestan la presenciade fluctuaciones, el proceso de relajación y los períodos de recurrencia. En el caso continuoestablecemos una relación entre el comportamiento termodinámico del conjunto deosciladores y la teoría del estado cuántico inestable. Relacionamos los efectos de bajastemperaturas para la población media del oscilador Browniano con el apartamiento de laley de decaimiento puramente exponencial para largos tiempos (efecto Khalfin). Finalmentemostramos como un comportamiento de tipo estocástico puede ser asociado con laevolución asintótica del sistema, analizando las funciones de autocorrelación y obteniendola relación de fluctuación-disipación.