El treball presentat en aquesta tesi es dedica a la comprensió de desafiaments pràctics i conceptuals en la simulació de propietats dinàmiques més enllà de l'aproximació quasi-estàtica en dispositius quàntics d'estat sòlid en escenaris on és necessari un tractament mecànic quàntic complet. Els resultats d'aquesta tesi són particularment rellevants per al càlcul de les fluctuacions del corrent elèctric en el règim de THz, per a l'avaluació dels temps de túnel que defineixen la freqüència de tall dels dispositius operats a alta freqüència, o per a l'avaluació del treball termodinàmic per a la realització de motors tèrmics quàntics. Les propietats dinàmiques esmentades impliquen mesures en diversos temps i, per tant, són sensibles a la ""retracció"" quàntica de la mesura. En el context de la mecànica quàntica ortodoxa, la definició d'aquestes propietats dinàmiques no es pot desvincular de l'especificació de l'aparell de mesura. És a dir, definir propietats dinàmiques intrínseques o independents dels aparells de mesura és incompatible amb els postulats de la mecànica quàntica ortodoxa. Per tot plegat, un enginyer de dispositius com jo, que treballa en problemes pràctics relacionats amb els dispositius d'estat sòlid actuals i futurs, es veu obligat a aprofundir en els fonaments de la mecànica quàntica. En aquest sentit, mostraré que les dificultats associades a la comprensió de propietats dinàmiques de sistemes quàntics es poden resoldre mirant més enllà de la mecànica quàntica ortodoxa. En particular, he explorat la interpretació modal de la mecànica quàntica, que és una teoria quàntica matemàticament precisa que reprodueix tots els fenòmens de la mecànica quàntica. Mostraré que les propietats intrínseques es poden definir fàcilment en aquest nou context (no ortodox). Demostraré també que les propietats intrínseques es poden identificar amb la mesura de "weak values" i, per tant, que es poden mesurar. Centrat en una teoria modal particular, viz., la mecànica de Bohm, es discutirà i s'aplicarà un simulador de transport d'electrons per abordar qüestions tant metodològiques com pràctiques relacionades amb la simulació del transport quàntic d'electrons. L'ontologia de la mecànica de Bohmian permet descriure de manera natural sistemes quàntics oberts monitoritzats contínuament amb una descripció precisa dels estats condicionals per als règims markovians i no markovians. Això ajuda a proporcionar un enfocament alternatiu a la matriu densitat en la descripció de sistemes quàntics oberts, que escala exponencialment amb el nombre de graus de llibertat. Tantmateix, l'estratègia d'estats condicionals Bohmians, que ha conduït al desenvolupament del simulador de transport d'electrons BITLLES, es demostrarà en el càlcul dels temps de permanència dels electrons en una barrera de grafè de dos terminals. Es demostrarà que les trajectòries de Bohmian són molt adequades per proporcionar una descripció inequívoca dels temps de trànsit (túnel) i la seva relació amb les freqüències de tall en dispositius electrònics pràctics. Finalment, es discutirà un protocol que incorpora mesures similars als "collective measurements" per eludir la incertesa de mesura en dispositius electrònics de computació clàssica i quàntica.
El treball presentat en aquesta tesi es dedica a la comprensió de desafiaments pràctics i conceptuals en la simulació de propietats dinàmiques més enllà de l'aproximació quasi-estàtica en dispositius quàntics d'estat sòlid en escenaris on és necessari un tractament mecànic quàntic complet. Els resultats d'aquesta tesi són particularment rellevants per al càlcul de les fluctuacions del corrent elèctric en el règim de THz, per a l'avaluació dels temps de túnel que defineixen la freqüència de tall dels dispositius operats a alta freqüència, o per a l'avaluació del treball termodinàmic per a la realització de motors tèrmics quàntics. Les propietats dinàmiques esmentades impliquen mesures en diversos temps i, per tant, són sensibles a la ""retracció"" quàntica de la mesura. En el context de la mecànica quàntica ortodoxa, la definició d'aquestes propietats dinàmiques no es pot desvincular de l'especificació de l'aparell de mesura. És a dir, definir propietats dinàmiques intrínseques o independents dels aparells de mesura és incompatible amb els postulats de la mecànica quàntica ortodoxa. Per tot plegat, un enginyer de dispositius com jo, que treballa en problemes pràctics relacionats amb els dispositius d'estat sòlid actuals i futurs, es veu obligat a aprofundir en els fonaments de la mecànica quàntica. En aquest sentit, mostraré que les dificultats associades a la comprensió de propietats dinàmiques de sistemes quàntics es poden resoldre mirant més enllà de la mecànica quàntica ortodoxa. En particular, he explorat la interpretació modal de la mecànica quàntica, que és una teoria quàntica matemàticament precisa que reprodueix tots els fenòmens de la mecànica quàntica. Mostraré que les propietats intrínseques es poden definir fàcilment en aquest nou context (no ortodox). Demostraré també que les propietats intrínseques es poden identificar amb la mesura de "weak values" i, per tant, que es poden mesurar. Centrat en una teoria modal particular, viz., la mecànica de Bohm, es discutirà i s'aplicarà un simulador de transport d'electrons per abordar qüestions tant metodològiques com pràctiques relacionades amb la simulació del transport quàntic d'electrons. L'ontologia de la mecànica de Bohmian permet descriure de manera natural sistemes quàntics oberts monitoritzats contínuament amb una descripció precisa dels estats condicionals per als règims markovians i no markovians. Això ajuda a proporcionar un enfocament alternatiu a la matriu densitat en la descripció de sistemes quàntics oberts, que escala exponencialment amb el nombre de graus de llibertat. Tantmateix, l'estratègia d'estats condicionals Bohmians, que ha conduït al desenvolupament del simulador de transport d'electrons BITLLES, es demostrarà en el càlcul dels temps de permanència dels electrons en una barrera de grafè de dos terminals. Es demostrarà que les trajectòries de Bohmian són molt adequades per proporcionar una descripció inequívoca dels temps de trànsit (túnel) i la seva relació amb les freqüències de tall en dispositius electrònics pràctics. Finalment, es discutirà un protocol que incorpora mesures similars als "collective measurements" per eludir la incertesa de mesura en dispositius electrònics de computació clàssica i quàntica.
La mecànica quàntica va néixer a començaments del segle passat per a explicar fenòmens que els models de l'època no podien explicar. Des de llavors n'han aparegut diferents formalismes i interpretacions, cadascun amb les seves peculiaritats, que permeten proposar solucions diferents a alguns problemes quàntics o ajudar a descriure'n la dinàmica. Al mateix temps, l'estudi de la llum ha seguit de prop el desenvolupament de la teoria quàntica: des del seu inici amb la descripció que va fer Albert Einstein de l'efecte fotoelèctric fins al desenvolupament de les font de llum làser. De fet, la llum làser ha demostrat ser una eina molt útil per a induir, manipular i mesurar el comportament quàntic de la matèria. Per exemple, els làsers han permès el desenvolupament de tècniques per a refredar, capturar i manipular àtoms neutres. Les ones de matèria atòmica en potencials òptics, elèctrics i magnètics s'han utilitzat per a posar a prova els principis de la mecànica quàntica i crear-ne aplicacions en, per exemple, el processat d'informació quàntica o l'atomtrònica, on els àtoms atrapats constitueixen dispositius anàlegs als díodes i transistors electrònics. D'altra banda, durant els últims cinquanta anys la intensitat de les fonts de llum ha experimentat un creixement gairebé exponencial. Aquests desenvolupaments han desafiat la física a trobar una descripció per als processos bàsics en la interacció entre la llum i la matèria, molt més complexos que l'efecte fotoelèctric d'Einstein, provocant fenòmens com la ionització multifotònica o l'emissió de radiació d'harmònics d'ordre alt. El punt de partida d'aquesta tesi és la narració del desenvolupament de la mecànica quàntica, després de la qual presentem els dos formalismes matemàtics de la teoria quàntica que usarem: la interpretació estàndard, que ens permet representar la dinàmica ondulatòria de la matèria, i la de de Broglie-Bohm, on la dinàmica es descriu a partir de trajectòries. La tesi tracta sobre dos sistemes òptics quàntics diferents, és a dir, sobre la interacció de la llum i la matèria a nivell quàntic. El primer sistema que estudiem és la manipulació coherent d'àtoms ultrafreds atrapats en potencials òptics. En particular, estudiem l'anàleg per a àtoms en un potencial amb tres trampes òptiques de la transferència adiabàtica Raman estimulada (STIRAP, de les sigles en anglès) de l'òptica quàntica. Gràcies al formalisme de de Broglie-Bohm, demostrem que la descripció d'aquest transport per a un àtom individual (o un condensat de Bose-Einstein) necessita correccions relativistes en alguns règims de paràmetres corresponents a realitzacions molt lentes del procés. A més, presentem pel cas de múltiples àtoms una tècnica per a transportar trampes buides en una fila de trampes òptiques i dissenyem dispositius atomtrònics per al control del flux d'ones de matèria. El segon sistema que estudiem és la ionització de l'hidrogen mitjançant polsos làser ultraintensos. Usem les trajectòries de de Broglie-Bohm per a obtenir informació sobre la dinàmica i proposar mètodes per a calcular, en un model unidimensional, els espectres de ionització per sobre del llindar i de generació d'harmònics. També estudiem la dinàmica d'ionització d'un àtom d'hidrogen interaccionant amb un feix de llum que porta moment angular orbital mitjançant càlculs tridimensionals, demostrant que és possible transmetre el moment angular orbital de la llum als electrons. Les trajectòries de de Broglie-Bohm de la dinàmica del procés permeten una visualització molt clara de l'absorció de moment angular per part dels electrons.
Aquest treball s'emmarca en el camp de l'estudi i simulació del comportament de sistemes quàntics complexos, les propietats dels quals vénen dictades per les lleis de la física quàntica. Aquestes juguen un paper fonamental en una varietat de sistemes físics, des de matèria condensada, sistemes superfluids i superconductors, líquids quàntics com l'He a molt baixa temperatura o trampes d'àtoms freds formant condensats de Bose - Einstein. En l'estudi de tots aquests sistemes han adquirit un paper de gran rellevància les tècniques de Quantum Monte Carlo, que es basen en la simulació directa de les partícules que componen el sistema, que es regeixen universalment per l'equació de Schrödinger, que descriu exactament, excepte per efectes relativistes, el comportament quàntic de la matèria. En aquest projecte ens dedicarem a crear una eina que apliqui mètodes estocàstics actuals, i permeti comparar-los amb la nostra implementació d'un mètode molt recent que aconsegueix extreure informació molt precisa del sistema basant-se en postulats de la mecànica quàntica.
Quan els electrons viatgen en un dispositiu electrònic produeixen un camp elèctric oscil·lant que es propaga a al llarg del dispositiu fins als contactes metàl·lics. Aquest fenomen genera un nou corrent que s'anomena corrent de desplaçament, i la seva velocitat de propagació és per naturalesa molt més ràpida que el moviment dels electrons que la produeixen. Tanmateix, aquest nou component és, en general, ignorat en els models de transport quàntic independents del temps. En un treball recent, mitjançant l'ús de la formulació Bohmiana de la mecànica quàntica, el grup de recerca dirigit pel professor Xavier Oriols ha desenvolupat un model de transport electrònic dependent del temps que inclou aquest component en l'estimació del corrent total en dispositius quàntics. La consideració del corrent de desplaçament proposat al treball obre moltes noves oportunitats per a l'electrònica a freqüències de TeraHertzs (THz) en escenaris quàntics.
Podria dir-se que la termodinàmica ha sigut una de les rames més poderoses de la física, i la més universal per la seva varietat d'aplicacions. Des de motors de vapor fins a forats negres, les lleis de la termodinàmica semblen regir-ho tot. Tot i així, fins i tot els conceptes més bàsics de termodinàmica ràpidament es compliquen per a la mecànica quàntica. La definició de conceptes senzills com el treball és paradoxalment un problema obert amb múltiples respostes incompatibles. I encara pitjor: la definició més acceptada de treball per la termòdinàmica quàntica, l'esquema "two-point measurement" (TPM) generalment viola la primera llei. Mirant des de la perspectiva de la teoria quàntica de camps, la situació és encara pitjor, perquè l'esquema TPM hi està mal definit. Nosaltres analitzarem definicions de distribucions de treball alternatives per a la teoria quàntica de camps tals que a) estiguin ben definides b) tinguin una interpretació física c) permetin fer càlculs no perturbatius i d) compleixin la primera llei de la termodinàmica per a les mitjanes i les variàncies a més d'alguns dels teoremes de fluctuacions més importants, com el teorema de Crooks o la igualtat de Jarzynski. Ensenyarem com, per a estats KMS (tèrmics), podem proporcionar els estadístics exactes de treball i increment d'energia interna per a operacions unitàries sobre un camp quàntic que estan localitzades en l'espai i en el temps.
Un dels sitemes més simples per estudiar la interacció llum-matèria en circuits superconductors quàntics consisteix en un qubit superconductor acoblat a un ressonador. En general, per aplicacions de computació quàntica o altres aplicacions relacionades amb qubits, l'acoblament entre el qubit i el ressonador es dissenya amb valors molt per sota de les freqüències naturals individuals del sistema, permetent així aproximacions que resulten en un marc matemàtic relativament simple. A mesura que l'acoblament augmenta, les aproximacions comencen a fallar i el sistema entra el que es coneix com a règim d'acoblament ultrafort (USC de les sigles en anglès), on la física del sistema encara es troba en gran part inexplorada. En aquesta tesi proposem materials superinductors com a un nou enfoc per acoblar un qubit de flux de manera ultraforta a un ressonador. Generalment, aconseguir acoblaments en el rang d'USC ha comportat dissenys que perjudicaven la coherència dels qubits. Per eludir complicacions, introduïm aquest nou enfoc amb superinductors. L'elevada inductància cinètica associada a aquests materials permet dissenyar grans inductàncies compartides a la vegada que es mantenen dimensions del qubit relativament petites i corrents persistents baixes. Així mateix, presentem un disseny que consisteix en un qubit de flux de 3 unions Josephson amb derivació capacitiva acoblat galvànicament a un ressonador mitjançant un fil d'Alumini granular (grAl). Derivem els Hamiltonians necessaris així com els mètodes numèrics per analitzar de manera teòrica l'espectre i obtenir una estimació del coeficient d'acoblament del sistema. D'altra banda, proporcionem els detalls de la recepta de fabricació de qubits consistent en múltiples passos que permeten assegurar que el xip final es trobi en el règim d'USC. Mostrem també les mesures de l'espectre d'un sistema qubit de flux ressonador amb corrent persistent baixa i una inductància compartida elevada. Observem elements característics del règim USC, com ara l'efecte dels termes contra-rotants que s'evidencia com a un desplaçament de Bloch-Siegert de 23 MHz. El coeficient d'acoblament és prou gran per entrar al rang pertorbatiu del règim USC amb un valor g/\omega_r ~ 0.13. El circuit mesurat serveix com a prova de concepte per demostrar la possibilitat d'arribar a acoblaments ultraforts qubit-ressonador amb corrents persistents baixes i obre la possibilitat de realitzar estudis coherents al règim d'USC. L'ús de superinductors per estudiar el règim USC també motiva la cerca de nous materials amb propietats superiors a les del grAl. Així mateix, presentem el desenvolupament d'un nou material superconductor basat en nitridació d'Alumini i que es pot obtenir mitjançant la deposició per pulverització catòdica d'Alumini en differents fraccions de flux de N2 /Ar. En aquesta tesi, anlitzem les principals propietats superconductores de capes fines de $\SI{100}{\nano\meter}$ d'Alumini nitridat (NitrAl). Mostrem mesures de l'increment de temperatures crítiques que arriben al valor màxim de Tc = (3.38 +- 0.01) K i resil·liències a camps magnètics en el pla per sobre d'1 T. De la mateixa manera que en grAl, observem una distribució en foma de cúpula de la temperatura crítica en funció de la resistivitat a tempertura ambient. Addicionalment, estimem la inductància cinètica que va des d'1 pH/sq per les mostres menys resistives, fins a 400 pH/sq per aquelles capes més resistives. Finalment, presentem els primers passos en la caracterització de les pèrdues del NitrAl i la implementació del material com a superconductor i superinductor en tecnologies de circuits quàntics.
Aquesta tesi estudia la verificació de sistemes quàntics en escenaris on l'accés a informació crucial és limitat. Mentre que en el control de qualitat clàssic els defectes poden, en principi, detectar-se de manera determinista, la naturalesa probabilística de la mecànica quàntica imposa limitacions inherents. Aquest fet planteja la pregunta: fins a quin punt és possible identificar de manera fiable defectes en estats i processos quàntics? Per respondre aquesta pregunta s'estudia la discriminació d'estats i canals quàntics en contextos universals, és a dir, quan no es coneix la forma específica de les hipòtesis. L'objectiu és establir rendiments de referència i dissenyar protocols òptims que continuïn sent vàlids sota condicions d'ignorància parcial. La manera d'abordar l'objectiu és mitjançant la combinació d'eines d'optimització convexa amb mètodes de teoria de representacions. La programació semidefinida ofereix el marc per formular els problemes de discriminació com a problemes d'optimització sobre operadors. Per la seva banda, la dualitat de Schur-Weyl i els esquemes d'associació permeten captar la simetria dels problemes estudiats, així com reduir de manera significativa la seva complexitat. Més enllà de la discriminació d'estats, l'isomorfisme de Choi-Jamiołkowski i el formalisme de xarxes quàntiques estenen aquestes tècniques a l'anàlisi de canals quàntics. La primera contribució se centra en el problema anomenat edge detection. Una seqüència de sistemes es divideix en dos dominis, cadascun preparat en un estat desconegut però diferent, i l'objectiu consisteix a identificar la frontera que els separa. Es presenta un protocol òptim per a aquest problema, juntament amb un càlcul eficient de la seva probabilitat d'èxit basat en la dualitat de Schur-Weyl i el formalisme de matrius de Gram. A més, s'explora un escenari mixt, en què els estats passen de ser coneguts a desconeguts, cosa que pot resultar útil per detectar defectes en processos de producció d'estats quàntics. La segona contribució introdueix la detecció quàntica d'anomalies múltiples, en què un conjunt de fonts ha de produir un estat de referència, encara que algunes poden fallar i generar estats anòmals. Es consideren dos casos. En el primer, tant l'estat de referència com els estats anòmals són coneguts; aquest problema es resol analíticament aprofitant l'estructura algebraica dels esquemes d'associació de Johnson, la qual cosa permet obtenir estratègies òptimes tant en el règim d'error mínim com en el d'identificació sense error (inequívoca). En el segon cas, ambdues classes d'estats són desconegudes, i es desenvolupa un protocol universal la optimalitat del qual s'estableix a través de la dualitat de Schur-Weyl. Finalment, la tercera contribució estén la detecció d'anomalies a l'àmbit dels canals quàntics. S'assumeix que els dispositius implementen una operació unitària donada, encara que un subconjunt d'aquests aplica en el seu lloc unitàries desconegudes. Es deriven protocols òptims sense error per identificar aquests dispositius defectuosos, emprant l'isomorfisme de Choi-Jamiołkowski i el formalisme de xarxes quàntiques. L'anàlisi mitjançant teoria de representació i la dualitat mixta de Schur-Weyl demostra que el rendiment òptim pot assolir-se amb estats d'entrada entrellaçats, sistemes auxiliars i estratègies paral·leles.