بررسی ترمودینامیک کوانتومی دریک سامانه اتم-کاواک با برهمکنش جینز-کامینگز

نوع مقاله: مقاله پژوهشی کامل

نویسنده

هیات علمی فیزیک - دانشگاه صنعتی شاهرود.

چکیده

در این پژوهش به معرفی ایده ترمودینامیک کوانتومی براساس مفاهیم پایه ای مکانیک آماری و مکانیک کوانتومی پرداخته ایم. در ادامه به بررسی چارچوب فرایندهای غیرتعادلی در سامانه های کوانتومی پرداخته ایم و چگونگی محاسبه کمیتهایی مانند کار و آنتروپی بازگشت ناپذیر را در این فرایندها، معرفی می نماییم. سپس نتایج به دست آمده را بر روی سامانه اتم-کاواک در برهمکنش جینز-کامینگز در دو حالت جفت شدگی ضعیف و قوی اتم-کاواک، به کار بسته ایم. در اینجا نظریه ها و محاسبات مبتنی بر سامانه های کوانتومی بسته بوده و درنتیجه با در نظر گرفتن یک کاواک خوب از نشت فوتونی و جفت‌شدگی میدان آن با محیط بیرون از آن صرفنظر شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Quantum Thermodynamics of an atom-cavity system with Jaynes-Cummings interaction

نویسنده [English]

  • Morteza Rafiee
Assistant professor of physics - Shahrood University of Technology.
چکیده [English]

In this paper we give an introduction to the ideas of quantum thermodynamics, using only basic concepts from quantum and statistical mechanics. Then, we discuss the framework of non-equilibrium processes in quantum systems and introduce how to calculate quantities such as work and irreversible entropy in these processes. We then apply these results to the problem of atom-cavity system while their interaction describe by Jaynes-Cummings model with both weak and strong atom-cavity coupling. Here, we introduce the concept of quantum thermodynamics of close quantum system and so by considering a good cavity, coupling of cavity modes with its reservoir has been omitted.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Quantum thermodynamics
  • atom-cavity
  • average work
  • irreversible entropy
[1] S.J. Blundell, K.M. Blundell, Concepts in Thermal Physics, Oxford University Press, New York , (2006).

[2] Sheldon Ross, A First Course in Probability, 8th ed. Pearson, Upper Saddle River, NJ, (2010).

[3] J.W. Gibbs, Elementary principles of statistical mechanics, reprinted ed. Dover, Mineola, (2014).

 [4] C. Jarzynski, Nonequilibrium Equality for Free Energy Differences, Physical Review Letters 78 (1997) 2690–2693.

 [5] G.E. Crooks, Nonequilibrium Measurements of Free Energy Differences for Microscopically Reversible Markovian Systems, Journal of Statistical Physics 90 (1998) 1481–1487.

[6] F. Douarche, S. Ciliberto, a. Petrosyan, I. Rabbiosi, An experimental test of the Jarzynski equality in a mechanical experiment, Europhysics Letters 70 (2005) 593–599.

[7] R. Dorner, J. Goold, C. Cormick, M. Paternostro, V. Vedral, Emergent Thermodynamics in a Quenched Quantum Many-Body System, Physical Review Letters 109 (2012) 160601-160605.

 [8] F. Plastina, A. Alecce, T.J.G. Apollaro, G. Falcone, G. Francica, F. Galve, N. Lo Gullo, R. Zambrini, Irreversible Work and Inner Friction in Quantum Thermodynamic Processes, Physical Review Letters 113 (2014) 260601-260605.

[9] W.L. Ribeiro, G.T. Landi, F.L. Semiao, Quantum thermodynamics and work fluctuations with applications to magnetic resonance, American Journal of Physics 84 (2016) 948-959.

[10] P.A. Camati, J.P.S. Peterson, T.B. Batalhao, K. Micadei, A.M. Souza, R.S. Sarthour, I.S. Oliveira, R.M. Serra, Experimental rectification of entropy production by a Maxwell’s Demon in a quantum system, Physical Review Letters 117 (2016) 240502-240506.

[11] J. Salmilehto, P. Solinas, M. Möttönen, Quantum driving and work, Physical Review E 89 (2014) 052128-052135.

[12] N. Cottet, S. Jezouin, L. Bretheau, P. Campagne-Ibarcq, Q. Ficheux, J. Anders, A. Auffèves, R. Azouit, P. Rouchon, B. Huard, Observing a quantum Maxwell demon at work, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America114, (2017) 7561-7564.

[13] L. Villa, G. De Chiara, Cavity assisted measurements of heat and work in optical lattices, Quantum 2 (2018) 42-52.

[14] J. Ye, D.W. Vernooy, H.J. Kimble, Trapping of Single Atoms in Cavity QED, Physical Review Letters 83 (1999) 4987-4991.

[15] J.R. Friedman, V. Patel, W. Chen, S.K. Tolpygo, J.E. Lukens, Quantum superposition of distinct macroscopic states, Nature 406 (2000) 43-46.  

[16] C.H. van der Wal, A.C.J. ter Haar, F.K. Wilhelm, R.N. Schouten, C.J.P.M. Harmans, T.P. Orlando, S. Lloyd, J.E. Mooij, Quantum Superposition of Macroscopic Persistent-Current States, Science 290 (2000) 773-777.

[17] A. Boca, R. Miller, K.M. Birnbaum, A. D. Boozer, J. McKeever, H.J. Kimble, Observation of the Vacuum Rabi Spectrum for One Trapped Atom, Physical Review Letters 93 (2004) 233603-233607.

[18] E.T. Jaynes, F.W. Cummings, Comparison of quantum and semiclassical radiation theories with application to the beam maser, Proceedings of the IEEE 51 (1963) 89 - 109.

[19] F. Deppe, M. Mariantoni, E.P. Menzel, A. Marx, S. Saito, K. Kakuyanagi,
H. Tanaka, T. Meno, K. Semba, H. Takayanagi, E. Solano and R. Gross, Two photon probe of the Jaynes–Cummings model and controlled symmetry breaking in circuit QED, Nature Physics 4 (2008) 686 - 691. 

[20] J. Koch, T.M. Yu, J. Gambetta, A.A. Houck, D.I. Schuster, J. Majer, Alexandre Blais, M.H. Devoret, S.M. Girvin, R.J. Schoelkopf, Charge-insensitive qubit design derived from the Cooper pair box, Physical Review A 76 (2007) 042319-042338.

[21] A. Blais, J. Gambetta, A. Wallraff, D.I. Schuster, S.M. Girvin, M.H. Devoret, R.J. Schoelkopf, Quantum information processing with circuit quantum electrodynamics, Physical Review A 75 (2007) 032329-032350.

[22] M.O. Scully, M.S. Zubairy, Quantum Optics, Cambridge University Press, (1997).

[23] A. Blais, R.Sh. Huang, A. Wallraff, S.M. Girvin, R.J. Schoelkopf, Cavity quantum electrodynamics for superconducting electrical circuits: An architecture for quantum computation, Physical Review A 69 (2004) 062320-062334.