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Master's Dissertation
DOI
Document
Author
Full name
Gabriela Fernandes Martins
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2019
Supervisor
Committee
Brito, Frederico Borges de (President)
Bonança, Marcus Vinicius Segantini
Rigolin, Gustavo Garcia
Title in English
Autonomous quantum Maxwell’s demon using superconducting devices
Keywords in English
Maxwell’s demon
Open quantum systems
Superconducting devices
Abstract in English
During the last years, with the evolution of technology enabling the control of nano-mesoscopic systems, the possibility of experimentally implementing a Maxwell’s demon has aroused much interest. Its classical version has already been implemented, in photonic and electronic systems, and currently its quantum version is being broadly studied. In this context, the purpose of this work is the development of a protocol for the implementation of the quantum version of an autonomous Maxwell’s demon in a system of superconducting qubits. The system is composed of an Asymmetrical Single-Cooper-Pair Transistor, ASCPT, which has its extremities in contact with heat baths, such that the left one has a lower temperature than the right one. And of a device of two interacting Cooper-Pair Boxes, CPB’s, named as an ECPB, for Extended Cooper-Pair Box. The ECPB is also in contact with a heat bath and possess a genuine quantum feature, entanglement, being described by its antisymmetric and symmetric states, that couple capacitively to the ASCPT with different strengths. A specific operating regime was found where the spontaneous dynamics of the tunneling of Cooper pairs through the ASCPT, will led to a heat transport from the bath in contact with the left extremity of the ASCPT to the bath at the right. And so, as in Maxwell’s original thought experiment, the demon, which is composed by the ECPB and the island of the ASCPT, mediates a heat flux from a cold to a hot bath, without the expense of work. However as expected, the violation of the 2nd law of thermodynamics does not occur, as during the dynamics heat is also released to the bath in contact with the ECPB, compensating the decrease of entropy that occurs in the baths in contact with the ASCPT.
Title in Portuguese
Demônio de Maxwell quântico em um sistema de dispositivos supercondutores
Keywords in Portuguese
Demônio de Maxwell
Dispositivos supercondutores
Sistemas quânticos abertos
Abstract in Portuguese
Nos últimos anos, com a evolução da tecnologia que permite o controle de sistemas nano-mesoscópicos, a possibilidade de se implementar um demônio de Maxwell despertou muito interesse. A sua versão clássica já foi realizada experimentalmente com sucesso em sistemas fotônicos e eletrônicos e atualmente a versão quântica tem sido amplamente estudada. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é desenvolver um protocolo para a implementação de uma versão quântica de um demônio de Maxwell autônomo utilizando dispositivos supercondutores. O sistema é composto por um Asymmetrical Single-Cooper-Pair Transistor, ASCPT, que possui as suas extremidades em contato com banhos térmicos, sendo que o banho à esquerda possui uma temperatura inferior ao da direita. E por um dispositivo composto por dois Cooper-Pair Boxes, CPB’s, interagentes, denominado ECPB, sigla para Extended Cooper-Pair Box. O ECPB também se encontra em contato com um banho e possui uma característica genuinamente quântica, emaranhamento, sendo descrito por seus estados antissimétrico e simétrico, que se acoplam capacitivamente ao ASCPT com intensidades distintas. Encontrou-se que em um regime de operação específico a dinâmica espontânea de tunelamento de pares de Cooper ao longo do ASCPT origina o transporte de calor do banho à esquerda do ASCPT, ao banho à direita. Desta forma, assim como proposto originalmente por Maxwell, o demônio, composto pelo ECPB e pela ilha do ASCPT, media um fluxo de calor de um banho frio para um banho quente, sem a realização alguma de trabalho. Contudo como esperado, a violação da 2ª lei da termodinâmica não ocorre, já que durante a dinâmica calor é liberado ao banho em contato com o dispositivo de CPB’s, compensando a diminuição de entropia que ocorre nos banhos em contato com o ASCPT.
 
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Publishing Date
2019-09-21
 
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